受金龟子甲壳螺旋结构启发的适应多种波及多功能仿生吸波超材料的制作方法

本发明涉及一种吸波超材料，特别是一种适应多种波及多功能的仿生螺旋手性超材料。

背景技术：

现代社会高度发达的微波通讯技术为人类带来了便利，但同时也带来了电磁波污染，因此，研究人员研究了微波吸收材料来解决这一问题，但是传统平板型吸收材料的吸收性能有限，构造普通周期结构后形成超材料的性能虽比平板结构有所提高，但是如何进一步提高普通周期结构的吸收性能成为了微波吸收材料的瓶颈问题。而且，传统的微波吸收材料在海洋环境的器件中一直无法应用，比如：由于海洋环境具有强烈的腐蚀性，使得传统应用最广泛的羰基铁或其他纯铁微波吸收材料无法应用，非铁材料大多不具备磁性能，少数具备磁性能也与铁相距甚远，其微波吸收效果不佳，导致无法应用，因此开发出兼具优异的磁性能和耐腐蚀性能的微波吸收材料，成为了其能否在海洋环境中应用的决定性因素。而且，由于海洋波浪的冲击作用，微波吸收材料必须具有吸收水波和柔性抗冲击作用。而若用于一些海洋舰艇等器件中，则还需要具有吸收超声波的作用，原因是其在水面以上微波吸收材料可以避免雷达探测，但是当其潜没在水面以下时，由于海水对电磁波强烈的衰减作用，雷达不再起作用，这时需要吸收声波和超声波以避免声呐探测。并且其自身性质也决定了需要防爆破的性能。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有技术所存在的上述不足，并根据金龟子甲壳螺旋结构模型，提出一种结构新颖，构思巧妙，加工简便的仿生螺旋手性超材料，通过构建仿生螺旋结构，其进一步增强了普通周期结构超材料的微波吸收性能，而且采用高熵合金制备结构单元，其在保持优异的磁性能从而保证微波吸收性能的同时，又具有很好的抗腐蚀性能。当结构单元与弹性泡沫基体结合时，材料又具备了吸收声波、超声波和水波的功能，实现了多种波的适应性。并且泡沫基体也保证了材料的抗冲击、弹性变形和防爆破功能。

本发明的技术解决方案是：一种受金龟子甲壳螺旋结构启发的适应多种波及多功能仿生吸波超材料，其特征在于：所述的材料总体包括多个单元层，所述单元层数大于或等于2层，相邻单元层之间由基体材料间隔，每个单元层上分布着具有一定形状并且周期排列的结构单元，每个结构单元上均存在不相连的两点和条形结构，其分别为在电磁场激励下的电偶极子和磁偶极子的等效结构，且同一层的结构单元上不相连的两点所连成的线段与条形结构平行；每一层的结构单元相对上一层的结构单元扭转一定角度，所述角度不包括90度或其整数倍的角度，扭转方向为顺时针或逆时针，扭转后相邻层的结构单元之间发生近场耦合作用，结构具有内在手性特征；结构单元的周期尺寸小于15mm可调，每层基体厚度小于2mm可调。

进一步地，在上述技术方案中，结构单元材质采用高熵合金，采用fe、co、ni、si、al等五种元素配制而成，上述元素在整个高熵合金中的质量分数为：fe(50％-60％)，co(15％-20％)，ni(10％-15％)，si(5％-9％)，al(1％-5％)。

进一步地，在上述技术方案中，高熵合金周期单元具有优异的软磁性能，同时对电磁波具有很强的介电损耗和磁损耗。

进一步地，在上述技术方案中，周期单元具有抗腐蚀的性能。

进一步地，在上述技术方案中，基体材料采用弹性且具有多孔结构的泡沫材料，孔直径小于500um可调。

进一步地，在上述技术方案中，基体采用聚氨酯泡沫等树脂等材料，其材质不影响高熵合金周期结构单元的微波吸收性能。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

本种金龟子甲壳螺旋结构仿生超材料，首次采用极化转换过程中的电磁波损耗来增强吸收，将传统认为的缺点变为有利因素，并且首次采用高熵合金制备超材料，其在保持铁基材料优异的软磁性能的同时，又具备耐腐蚀性能，解决了传统微波吸收材料无法在海洋环境应用的难题。将高熵合金结构单元与弹性泡沫基体结合后，实现了多种波适应性。一方面，实现了声波、超声波和水波的吸收，使得材料在海洋环境应用时免受波浪的影响，也可以应用于舰艇器件可以同时避免雷达和声呐探测。并且基体具有弹性变形和抗冲击的特点，使得其在应用时具有防爆破功能，因此特别适合于在本领域中推广应用，其前景十分广阔。

说明书附图

图1为金龟子甲壳多层结构图片及其螺旋结构示意图。

图2为单层单个结构单元示意图。

图3为不同层的结构单元扭转示意图。

图4为结构单元从顶层至底层的排列示意图，左侧为从顶层至底层结构单元无扭转角度排列，右侧为具有顺时针15°扭转角度的排列。

图5为结构单元在顺时针扭转角度为15度时的俯视图。

图6为基体和结构单元复合后整体材料侧视示意图。图7为结构单元无扭转角度排列时的微波反射损耗测试结果。

图8为结构单元顺时针扭转角度为15度排列时的微波反射损耗测试结果。

具体实施方式

下面将结合附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示：一种具有金龟子甲壳螺旋结构仿生超材料，图1为金龟子甲壳多层结构图片及其螺旋结构示意图，其甲壳中每一层的纤维排列相对于上一层扭转一定角度，构成从上至下的螺旋排列结构，这种结构可以使普通的线极化电磁波转化成圆极化形式，但是在转化过程中会使电磁波出现严重损耗，这种损耗以往一直被认为是极化转换的一个缺点，但正好可以用于微波吸收材料之中起到增强吸收的作用，将不利因素变为有利。因此，本发明根据这种螺旋结构，将所设计的结构单元(图2)进行多层重叠并从上至下扭转15°(图3、图4、图5)，层数为10层。结构单元尺寸为两侧电偶极子之间的距离12mm，相邻结构单元之间的中心间距14mm，组成结构单元的条带厚度20um，宽度0.5mm，采用高熵合金，各元素质量分数为：fe(58.62％)，co(18.61％)，ni(11.97％)，si(7.12％)，al(3.68％)，原材料为市场购置，其中fe、co、ni、al来源于中诺新材(北京)科技有限公司，si来源于河南亿鑫有色金属材料有限公司，首先将这几种原材料按上述质量分数配制好，之后采用电弧炉将配制好的混合体熔炼四次以得到均匀分布的合金锭，之后将其在液态急冷装置中进行甩带(氩气气氛)，甩带铜轮转速3500r/s，得到高熵合金条带备用，制备的高熵合金条带再按照设计图形进行拼接以形成结构单元。每层结构单元采用2mm厚度的聚氨酯泡沫间隔(泡沫购置于东莞市创杰海绵制品有限公司)，并采用不影响微波吸收的聚氨酯胶将泡沫与单元粘接，以形成整体材料(图6)。在电场激励下，每一层的结构单元具有平行的电偶极子和磁偶极子，此时材料具有外在手性，而在顺时针扭转15°后，不同层电偶极子和磁偶极子通过近场耦合作用，使整体材料产生内在手性，即本征手性，使得电磁波的极化产生偏转，原本入射的线极化波转化为圆极化波并产生大量损耗，因此结构单元在产生扭转之后比扭转之前的微波吸收性能大幅度提高。图7和图8中所示的微波吸收性能测试结果也证明了这一点，图7为本发明仿生超材料在无扭转角度时的反射损耗，其吸收率大于90％(rl≤-10db)的有效吸收带宽为13.14-15.96ghz，而在顺时针扭转15°之后其吸收带宽扩展为12.96-18ghz，几乎覆盖了整个ku波段，并且吸收峰值也明显增强，扭转之前最强吸收峰值-27.37db，扭转之后增强为-48.83db，证明了这种螺旋仿生结构在增强微波吸收方面的作用。

并且，当结构单元的材质采用高熵合金制备时，元素fe、co、ni加上可以降低磁晶各向异性常数的si，并且结合金属al提高材料的加工性能，制备的高熵合金在保证具备介电损耗和磁损耗的同时，还可以获得优异的耐腐蚀性，使其可以在严苛的海洋腐蚀环境中应用，相比于传统的铁磁材料具有很好的应用优势。当每一层结构单元之间的间隔基体采用弹性泡沫材料之后，材料整体结构示意见图6，其可以进一步获得对多种波的适应性和多功能性，一方面，由于多孔材料的阻尼特性，使得其骨架与声子产生共振，进而吸收声波和超声波，而且对于水波也具有同样的吸收作用；另一方面，由于多孔材料具有弹性变形的特点，使得材料在受到冲击作用下可以通过变形吸收动能和势能，因此保护基体免受破坏，起到抗冲击和防爆破的功能，具有很好的实用价值。