一种基于泡沫介质基材料与金属结构融合的宽频带电磁波吸收超材料的制作方法

本发明涉及电磁波吸收技术领域，具体涉及一种基于泡沫介质基材料与金属结构融合的宽频带电磁波吸收超材料。

背景技术：

近年来无线电子通信技术使用越来越频繁，电磁干扰和污染问题凸显，影响日常生活；在军事应用领域，随着雷达探测技术的提升，对隐身性能也提出了新的要求，因此解决隐身问题的电磁波吸收材料的性能也需要提高。

传统的隐身材料一般采用碳、碳化硅等介电均匀材料，铁硅铝、铁氧体等磁性均匀材料作为吸波基体，但是面临带宽较窄、吸波效能低、密度大等问题，为此研究人员开始逐渐拓宽材料设计维度，发展结构材料，近年来轻质结构泡沫材料，由于体密度小、带宽宽、吸波机制丰富受到人们的关注，但是在一定厚度限制下，低频段吸波性能不佳。

而金属结构超材料，由于设计维度灵活，制备工艺简单，容易实现不同频段的吸波，在电磁波调控方面具有广阔的应用前景。

本发明利用介质基泡沫材料轻质、宽带与金属结构吸波频段灵活可调的优势，解决宽带低频段电磁波吸收效果较差、厚度大、密度高的难题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于泡沫介质基材料与金属结构融合的宽频带电磁波吸收超材料，以解决现有吸波材料宽带低频段电磁波吸收效果较差、厚度大、密度高的难题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于泡沫介质基材料与金属结构融合的宽频带电磁波吸收超材料，该宽频带电磁波吸收超材料是由泡沫介质基吸波材料与金属结构复合材料分层固化连接而成，其中：由上至下第一层为金属结构复合材料，第二层为泡沫介质基吸波材料，第三层为fr4介质基板。

所述金属结构复合材料是由多个方形金属环均匀排布在fr4介质基板上形成；所述金属结构复合材料中的fr4介质基板的厚度为0.4-3mm，介电常数为4.0-4.3。

所述泡沫介质基吸波材料为碳化硅泡沫、碳泡沫或铁基吸波泡沫材料中的一种或者两种组合；所述泡沫介质基吸波材料的网孔孔径为0.5～5.5mm，碳化硅泡沫电阻率为100-10¹⁵ω·m，碳泡沫的电导率为0.2～5s/m，铁基泡沫的片状粉体粒径为10-80μm。

第三层的fr4介质基板的厚度为0.5-1mm。

该电磁波吸收超材料在不同极化方向具有较好的宽频带雷达吸收性能，吸波超材料在1-18ghz频段平板反射率小于-10db，关键频段平板反射率小于-15db，面密度低于8kg/m²。

所述基于泡沫介质基材料与金属结构融合的宽频带电磁波吸收超材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)泡沫介质基材料的形状及间距控制：

泡沫介质基材料加工为方形块体形状，周期排列，方形块体泡沫材料边长为4mm-65mm，相邻泡沫块体材料的间距为1mm-20mm；

(2)泡沫块体材料的连接材料制备：

将高分子材料、固化剂与空心玻璃微珠在搅拌条件下混合均匀，得到填缝连接剂，即泡沫块体之间的连接材料；所述填缝连接剂中高分子材料、固化剂与空心玻璃微珠的重量百分含量依次为95～9％、5～1％和5～91％；取部分填缝连接剂样品，在50-90℃条件下固化0.5-4小时后，进行电磁参数测试，保持相对介电常数小于4，其它未固化的填缝连接剂常温保存待用；

(3)模压固化成型：

将各个泡沫块体材料用商业化的2-5μm厚的聚酰亚胺透波薄膜包裹起来，然后按照步骤(1)中的排列方式用高分子材料粘接在fr4介质基板上，把填缝连接剂填充在各泡沫块体材料之间，然后连fr4基板一起放入模具内；把模具放入烘箱，在50℃-100℃、7-9mpa压力条件下固化0.5-6小时；

(5)金属结构复合材料的控制：

金属结构复合材料由多个方形金属环覆盖在fr4介质基板上方形成，相邻方形金属环间的间距为3-120mm；

(6)泡沫介质基材料与金属结构复合材料的连接：

使用厚度小于0.2mm的高分子材料将金属结构材料粘接在泡沫介质基材料上方，施加7-9mpa，并在50℃-90℃固化0.5-4小时。

上述步骤(2)中，所述固化剂为对甲苯磺酸、五洛脱品、草酸或柠檬酸；所述空心玻璃微珠的粒径为1-50μm。

上述步骤(2)、步骤(3)和步骤(6)中，所述高分子材料为酚醛树脂或环氧树脂。

上述步骤(4)中，在模具内，泡沫块体材料和模具之间也填充填缝连接剂，泡沫块体材料和模具之间填充的填缝连接剂的厚度为泡沫块体材料之间间距的一半。

上述步骤(5)中，所述方形金属环厚度为25-45μm，方形金属环的外边长为5mm-80mm，方形金属环的内边边长为4mm-79mm。

本发明设计的思想是：选取泡沫结构材料作为吸波基本材料，充分利用泡沫微结构材料引起的的散射、衍射、界面极化以及低阻抗等多种优异电磁性能；每组泡沫块体材料周期排列，构建阵列分布材料的非本征电磁性能，利用金属超材料结构吸波频段灵活可控的特点，发挥泡沫介质基材料与金属金属结构得协同效应，实现宽频段电磁波吸收。

本发明的有益效果是：

垂直入射时，不同极化方向具有较好的宽频带雷达吸收性能，所述吸波超材料达到性能为1-18ghz频段平板反射率小于-10db，关键频段反射率小于-15db；结构简单、制备容易并且易于模块化组装，利于工程化应用；利用泡沫材料作为超材料设计基础，面密度低于8kg/m²，现实宽带吸收；根据此设计可以类比用于其它频段。

附图说明

图1为基于泡沫介质基材料与金属结构融合的宽频带电磁波吸收超材料结构示意图；其中：(a)立体图；(b)俯视图；(c)仰视图；(d)截面图。

图2为实施例4制备的基于泡沫介质基材料与金属结构融合的宽频带电磁波吸收超材料平板反射率。

具体实施方式

本发明是利用泡沫基材，对不同孔径的泡沫进行设计加工，周期排布，利用低介电常数的填缝剂连接，发挥金属超材料结构吸波频段灵活可控的特性，实现宽频段电磁波吸收。最终制备出泡沫基宽频带吸波材料。

下面通过各种具体实施例来详述本发明。

实施例1

选取基料为碳泡沫。网孔孔径1mm、电导率0.7s/m-1s/m、200×200mm的泡沫板，板厚20mm，加工成20×20×10mm方形泡沫材料；将方形泡沫材料用厚度2μm的聚酰亚胺膜包裹，用环氧树脂将泡沫块粘在0.5mm厚的fr4介质底板上，泡沫块间距为2mm，放入模具。将重量比为88：2：10的酚醛树脂、对甲苯磺酸和粒径10-50μm的空心玻璃微珠混合，将混合料填充在泡沫间缝隙中，混合料与上述泡沫组合体在模具中完成热压复合，复合条件为控温90℃、施加压力9mpa，保持3小时。方形金属环覆盖在fr4介质基板上方，方形金属环结构厚度在30μm，方形金属环的外边长为40mm，金属环的内边边长为38mm，金属方形环的间距为50mm，fr4的厚度为0.4mm，介电常数为4.2。使用厚度为0.1mm的环氧树脂将金属结构材料粘接在泡沫材料上方，施加7-9mpa，60℃固化3小时。所制备的样品结构如图1。

在agilent-n5230a网络分析仪上采用时域测试法测试平板反射率，本实施例泡沫组合体复合材料在1～18ghz频段，最大平板反射率降低至-10db以下，2-4ghz频段反射率小于-15db，面密度低于7.6kg/m²，具有优异的宽频带雷达吸波性能。

实施例2

选取基料为碳化硅泡沫。选取网孔孔径4mm、电阻率10³-10¹⁰ω·m、200×200mm的泡沫板，板厚20mm；加工成50×50×15mm方形泡沫材料；将方形泡沫材料用厚度3μm的聚酰亚胺膜包裹，用环氧树脂将泡沫块粘在0.5mm厚的fr4介质底板上，泡沫块间距为3mm，放入模具。将重量比为88：2：10的酚醛树脂、对甲苯磺酸和粒径10-40μm的空心玻璃微珠混合，将混合料填充在泡沫间缝隙中，混合料与上述泡沫组合体在模具中完成热压复合，复合条件为控温90℃、施加压力9mpa，保持3小时。方形金属环覆盖在fr4介质基板上方，方形金属环结构厚度在38μm，方形金属环的外边长为36mm，金属环的内边边长为34mm，金属方形环的间距为40mm，fr4的厚度为0.5mm，介电常数为4.1。使用厚度为0.2mm的环氧树脂将金属结构材料粘接在泡沫材料上方，施加7-9mpa，60℃固化3小时。

在agilent-n5230a网络分析仪上采用时域测试法测试平板反射率，本实施例泡沫组合体复合材料在1～18ghz频段，最大平板反射率降低至-10db以下，1-1.5ghz频段反射率小于-15db，面密度低于7.6kg/m²，具有优异的宽频带雷达吸波性能。

实施例3

选取基料为铁硅铝泡沫。选取网孔孔径2mm、铁硅铝粒径80μm、200×200mm的泡沫板，板厚20mm，加工成30×30×15mm方形泡沫材料；将方形泡沫材料用厚度3μm的聚酰亚胺膜包裹，用环氧树脂将泡沫块粘在1mm厚的fr4介质底板上，泡沫块间距为5mm，放入模具。将重量比为88：2：10的酚醛树脂、对甲苯磺酸和粒径15-40μm的空心玻璃微珠混合，将混合料填充在泡沫间缝隙中，混合料与上述泡沫组合体在模具中完成热压复合，复合条件为控温80℃、施加压力9mpa，保持3小时。方形金属环覆盖在fr4介质基板上方，方形金属环结构厚度在25μm，方形金属环的外边长为10mm，金属环的内边边长为8mm，金属方形环的间距为25mm，fr4的厚度为0.6mm，介电常数为4.3。使用厚度为0.15mm的环氧树脂将金属结构材料粘接在泡沫材料上方，施加7-9mpa，60℃固化3小时。

在agilent-n5230a网络分析仪上采用时域测试法测试平板反射率，本实施例泡沫组合体复合材料在1～18ghz频段，最大平板反射率降低至-10db以下，8-12ghz频段反射率小于-15db，面密度低于7.8kg/m²，具有优异的宽频带雷达吸波性能。

实施例4

选取基料为碳化硅泡沫和碳泡沫。碳化硅泡沫选取网孔孔径2mm、电阻率10⁴-10¹¹ω·m、200×200mm的泡沫板，板厚20mm，加工成40×40×15mm方形泡沫材料；碳泡沫网孔孔径2mm、电导率1s/m-1.5s/m、200×200mm的泡沫板，板厚20mm，加工成20×20×15mm方形泡沫材料；将方形泡沫材料用厚度3μm的聚酰亚胺膜包裹，用环氧树脂将泡沫块粘在0.8mm厚的fr4介质底板上，泡沫块间距为4mm，放入模具。将重量为89：5：6的酚醛树脂、对甲苯磺酸和粒径15-50μm的空心玻璃微珠混合，将混合料填充在泡沫间缝隙中，混合料与上述泡沫组合体在模具中完成热压复合，复合条件为控温90℃、施加压力9mpa，保持3小时。方形金属环覆盖在fr4介质基板上方，方形金属环结构厚度在38μm，方形金属环的外边长为40mm，金属环的内边边长为39mm，金属方形环的间距为30mm，fr4的厚度为0.5mm，介电常数为4.0。使用厚度为0.2mm的环氧树脂将金属结构材料粘接在泡沫材料上方，施加7-9mpa，60℃固化3小时。

在agilent-n5230a网络分析仪上采用时域测试法测试平板反射率，本实施例泡沫组合体复合材料在1～18ghz频段，最大平板反射率降低至-10db以下，12-18ghz频段反射率小于-15db(图2)，面密度低于7.4kg/m²，具有优异的宽频带雷达吸波性能。

实施例5

选取基料为铁硅铝泡沫和碳泡沫。选取网孔孔径2mm、铁硅铝粒径60μm、200×200mm的泡沫板，板厚20mm，加工成40×40×15mm方形泡沫；碳泡沫网孔孔径2mm、电导率0.5s/m-1.5s/m、200×200mm的泡沫板，板厚20mm，加工成20×20×15mm方形泡沫材料；将方形泡沫材料用厚度3μm的聚酰亚胺膜包裹，用环氧树脂将泡沫块粘在0.5mm厚的fr4介质底板上，泡沫块间距为3mm，放入模具。将重量比为89：5：6的酚醛树脂、对甲苯磺酸和粒径15-50μm的空心玻璃微珠混合，将混合料填充在泡沫间缝隙中，混合料与上述泡沫组合体在模具中完成热压复合，复合条件为控温90℃、施加压力9mpa，保持3小时。方形金属环覆盖在fr4介质基板上方，方形金属环结构厚度在38μm，方形金属环的外边长为30mm，金属环的内边边长为29mm，金属方形环的间距为30mm，fr4的厚度为0.5mm，介电常数为4.3。使用厚度为0.2mm的环氧树脂将金属结构材料粘接在泡沫材料上方，施加7-9mpa，60℃固化3小时。

在agilent-n5230a网络分析仪上采用时域测试法测试平板反射率，本实施例泡沫组合体复合材料在1～18ghz频段，最大平板反射率降低至-10db以下，8-12ghz频段反射率小于-15db，面密度低于7.9kg/m²，具有优异的宽频带雷达吸波性能。

实施例6

选取基料为碳化硅泡沫和铁硅铝泡沫。碳化硅泡沫选取网孔孔径2mm、电阻率10²-10⁹ω·m、200×200mm的泡沫板，板厚20mm，加工成30×30×16mm方形泡沫材料；选取铁硅铝泡沫网孔孔径1mm、铁硅铝粒径50μm、200×200mm的泡沫板，板厚20mm，加工成30×30×16mm方形泡沫；将方形泡沫材料用厚度3μm的聚酰亚胺膜包裹，用环氧树脂将泡沫块粘在0.5mm厚的fr4介质底板上，泡沫块间距为3mm，放入模具。将重量比为90：5：5的酚醛树脂、对甲苯磺酸和粒径30-50μm的空心玻璃微珠混合，将混合料填充在泡沫间缝隙中，混合料与上述泡沫组合体在模具中完成热压复合，复合条件为控温90℃、施加压力9mpa，保持3小时。方形金属环覆盖在fr4介质基板上方，方形金属环结构厚度在38μm，方形金属环的外边长为36mm，金属环的内边边长为34mm，金属方形环的间距为33mm，fr4的厚度为0.5mm，介电常数为4.2。使用厚度为0.2mm的环氧树脂将金属结构材料粘接在泡沫材料上方，施加7-9mpa，60℃固化3小时。

在agilent-n5230a网络分析仪上采用时域测试法测试平板反射率，本实施例泡沫组合体复合材料在1～18ghz频段，最大平板反射率降低至-10db以下，1.5-2ghz频段反射率小于-15db，面密度低于7.6kg/m²，具有优异的宽频带雷达吸波性能。