本发明涉及电磁隐身技术领域，具体地，涉及一种网状分层结构式电磁波吸收超材料。
背景技术：
随着科学技术的发展，电子产品使用大量增加引发的电磁污染已经严重影响了人们的健康和自然环境。近年来，越来越多的人开始关注电磁污染的问题，电磁屏蔽材料和电磁波吸收材料也应运而生。其中，吸波材料可以有效吸收电磁辐射，减少电磁干扰，与电磁屏蔽材料相比，因其高效性和普适性的特点拥有更加广阔的应用市场。另一方面，现代战争也越来越多的涉及隐身领域，针对现代探测技术上的隐身技术成为强军对战中决胜的一种关键性技术。为保护战略物资的安全，隐身技术得到了世界各军事强国高度的关注，并得到了优先发展。吸波材料也以其作为隐身技术的核心地位成为军事隐身材料领域研究的热点。
吸波材料是指可以衰减，甚至吸收入射电磁波，将其转化成热能，甚至电子与原子震动的动能消耗掉，或者是电磁波引发材料的负电磁效应，使电磁波因干涉抵消的一类功能材料。当电磁波传播到吸波材料表面时，电磁波进入材料内部。在传输过程中，由于介电质损耗、感应电流损耗，原子分子震动损耗，乃至反射波抵消损耗等一系列复杂过程后转化为热能和原子、电子的动能。最后剩余的小部分电磁波，由于能量被大量损耗，将很快因自然衰减而消失。
随着集成电路加工工艺的不断提高，使得亚微米加工、甚至到数十纳米尺寸的加工成为可能。亚微米加工工艺下的一系列超材料结构以其负的介电常数和负磁导率特性引起了隐身领域许多科研工作者的注意。并不断设计出各种全新的结构材料。其中，一类超材料结构以其独特的电磁特性，得到了更多的归纳和总结。科研工作者通过将若干个完全一样的亚波长单元组成谐振阵列，由相邻的几个共振单元组成单元晶格结构，降低材料的相对电子密度，以此调节超材料电响应的工作频率；以其类环状单元结构产生感应电流，使其具有负磁导率。最后，根据电响应和磁响应之间相对独立的特性，使这类超材料结构同时具备负的电响应和负的磁响应，实现阻带电磁特性的线性频率可调性。
目前为止，用这类超材料阵列单元结构设计的吸波材料大多只能工作在一个单一的频率点。这两年中人们陆续设计出了几款可以在一个较窄的频率带内具有吸波功能的阵列单元结构的超材料。但是可扩展性不强，难以应用到实际的隐身或者电磁保护系统中。因此本领域技术人员迫切需要解决的技术问题在于，如何增加吸波材料的工作带宽，使其在太赫兹波段乃至更高频段的红外、紫外等波段具备优良的吸波性能，增加阵列单元结构的超材料应用于系统中的可能性。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种网状分层结构式电磁波吸收超材料，可提高结构式吸波超材料的吸收带宽，并增加阵列单元结构的超材料应用于系统中的可能性。
为了实现上述目的，本发明提供一种分层结构式电磁波吸收超材料，所述分层结构式电磁波吸收超材料包括：第一部件，包括至少一层的外包层、下附着层和上附着层；第二部件，在只有一层第三部件时，可以不使用。而使用时包括至少一种透明柔性介质材料，每层厚度相对独立；以及第三部件，与所述第一部件和第二部件相连接，为至少一种金属材料构成的金属网状的薄层结构。
优选地，第一部件是由n(n|1)种柔性透明的材料(如Parylene、PMMA，PDMS等柔韧性和透光性优良的聚合物材料)构成。
优选地，第二部件是位于第一部件之中，进行分割第三部件的不同层。并为电磁波在材料中传播提供空间。由n(n|1)种柔性透明的材料(如Parylene、PMMA，PDMS等柔韧性和透光性优良的聚合物材料)构成，包括m(m|0)层，且各层间相互独立。
优选地，第三部件由n(n|1)个金属(金、银、铜、铁等导电性良好的金属材料或者合金材料)薄层构成，且各层之间由第二部件分割。
优选地，第三部件在每层中可以有多个独立的金属网结构形成阵列单元结构，也可以是无限延伸的金属网状结构。
优选地，当第三部件中层数大于一层时，每层金属结构间的结构相对独立且使用材料也相对独立。
优选地，第一部件和第二部件都应该是柔韧性和透光性良好的绝缘介质。
优选地，第三部件金属结构中的空隙部分，有第一部件或者第二部件进行填充，在整个结构内部不存在空气泡。
优选地，第三部件中第一金属层的参数应该不小于第二金属层，第二金属层的参数不小于第三金属层，以此类推。
优选地，第一部件为外层，厚度和材料均可调节；所述第二部件为内部分隔层，且厚度和材料也可调节，为电磁波的吸收提供了震荡空间；
优选地，第三部件为谐振单元，将部分电磁波能量转化为极其微弱的热能。
优选地，所述第一部件中下附着层的厚度为5um至1mm。
优选地，所属第一部件中上附着层的厚度为10um至1mm。
优选地，所属第二部件的每层的厚度均为10um至1mm。
优选地，第三部件每层金属的厚度均为1um至50um。
优选地，第三部件每层金属均为由各个方向上相互平行的金属条构成的类网状的金属结构，且一个连续的金属网格内存在金属空隙，这些空隙有第一部件或者第二部件填充。
优选地，第三部件中每个金属空隙的边都应该为偶数个的等边多边形。
优选地，第三部件中金属空隙的边长应该为5um至10mm，且每个金属条的宽度应该为1um至1mm。
优选地，第三部件中，各层的金属层结构中，每个单元结构的边界可以是连续的，也可以是等长度突出的。
优选地，第三部件中，同一层金属网状结构应该完全相同，形成对称的阵列单元结构。
本发明分层结构式电磁波吸收超材料通过设置第一部件、第二部件和第三部件的尺寸，以及材料，同时设置第三部件的网状结构，在与电磁场传播方向存在一定角度的空间中，可产生感应电流，以及合理层间反射，提高超材料的吸波特性。
附图说明
附图是用来提供本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明分层结构式电磁波吸收超材料实施例一的结构分解图；
图2a是本发明分层结构式电磁波吸收超材料实施例一的结构单元的立体结构图；
图2b-图2c分别是本发明分层结构式电磁波吸收超材料实施例一的结构单元的俯视图和剖面图；
图3a-图3c是本发明分层结构式电磁波吸收超材料实施例一的吸波原理图；
图4a-图4b是本发明分层结构式电磁波吸收超材料实施例一在不同波段的吸收率曲线图；
图5是本发明分层结构式电磁波吸收超材料实施例一的吸收率与第三部件金属条宽度尺寸的关系示意图；
图6是本发明分层结构式电磁波吸收超材料实施例二的立体结构图。
附图标记说明
10第一部件101下附着层
102上附着层103环状包层
20第二部件201第一间隔层
202第二间隔层30第三部件
301第一金属层302第二金属层
303第三金属层
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在发明中，在发明中，在未作相反说明的情况下，发明中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制发明的保护范围。
本发明分层结构式电磁波吸收超材料包括：第一部件10，分别包括至少一层下附着层101和上附着层102，以及环状包层103；第二部件20，在第三部件为一层时可以不存在，在电磁场空间中为电磁波提供反射震荡的空间；第三部件30，与所述第一部件或者第二部件相连接，是该结构设计中的主要功能部件，包括至少一层金属层(第一金属层301)。在电磁波传输时，第三部件30中会产生感应电流，并由此引起感应电磁场，对入射电磁波形进行消弱，同时电磁波在结构内部也会发生多次反射，从而产生一系列的干涉相消的频率点。此外材料本身也会将部分电磁能量转化为原子或电子的动能。
本发明分层结构式电磁波吸收超材料通过设置第一部件、第二部件和第三部件，可使第一部件、第二部件以及第三部件参数发生变化时，产生不同的吸收率特性，调节器件吸波带宽。
如图1所示，本发明分层结构式电磁波吸收超材料可为阵列单元式(如图1所示)或全平面式电磁波吸收超材料(如图6所示)。
如图1所示，当本发明分层结构式电磁波吸收超材料为阵列单元式电磁波吸收超材料结构时，所述第一部件10为外包层；所述第二部件20为分割层，且能够自由调节尺寸和材料，与所述第三部件30紧密接触。通过采用柔性材料，可增加在生活中的实用性和便捷性，为实际应用打开市场。
其中，所述第三部件30的形状为金属网状，例如正方形网格状；所述下附着层101和上附着层102的形状为均匀平滑的等厚度薄层。所述第三部件中、第一金属层301、第二金属层以及第三金属层间材料和结构都相互独立，但同一金属层内部材料和结构一改完全一致。第一金属层301的尺寸不小于第二金属层302，第二金属层302的尺寸不小于第三金属层303。第三部件的同一金属层中，金属纵条3011和金属横条3012的尺寸可以不一致。
本发明分层结构式电磁波吸收超材料可设置于电磁波传输的空间中，并且与电磁波传输方向存在一定角度，可将电磁波中的能量转化为材料中的电能、原子和电子的动能等。其中，所述第一部件位于整个结构的外层起到保护作用。
在分层结构式电磁波吸收超材料的其他实施方式中，超材料可以包括多个第一部件10和第二部件20，也可以不包括第二部件，仅包括1个第三部件30或者有很多个第三部件30。第一部件、第二部件和第三部件一起构成一个统一的整体，其中任何一个部件的参数发生变化均会影响吸收带宽和吸收率。这种结构的超材料可以进一步电磁波吸收效率和吸收带宽的可设置性。
如图6所示，当本发明分层结构式电磁波吸收超材料为全平面式电磁波吸收超材料时，所述第一部件10依然是最外围的包层；所述第二部件20为与所述第三部件10互补的凸体，所述第三部件30为与所述第二部件20配合的立体；所述第三部件30的形状为四方型网状结构，但并不以此为限。
其中，所述第三部件30的接触面材料为第一部件和第二部件均应为绝缘性较好的柔性材料，并且透光性较强，使电磁波传输过程中能够顺利进入超材料的内部。所述第三部件30可全部由金属材料或导电性良好的合金材料制成，例如金属铝、铜和银等；所述下附着层101与上附着层102以及环状包层103由柔韧性较好的有机材料制成，例如，所述下附着层101选用透光性和柔韧性较好的Parylene、PMMA，PDMS等聚合物材料制成，所述第一部件的其余组件，以及第二部件的各组件都采用此类材料，但各组件间材料可以不同且不以此为限。
如图2c所示，所述第一间隔层201和第二间隔层202与第一金属层、第二金属层以及第三金属层交替设置于第一部件10的内部。本实施例中，共设置有1个第一间隔层201，1个第二件隔层202，一个下附着层101，1个上附着层102，一个环状包层103，但并不以此为限。
如图3a至图3b，本发明分层结构式电磁波吸收超材料仿真时，将材料水平方向与电磁波传输方向垂直，但不局限于垂直，只要有一定角度即可。在第三部件中会因为电磁场产生感应电势和感应电流，对入射电磁波形成削弱。同时入射波强I0在多空隙金属板表面分为三部分，直接穿过空隙进入腔体的Ir1，透过透过金属板直接进入腔体的Ir2，还有反射部分Ir。由于多孔金属板穿孔率较大，考虑Ir1时每一个孔洞可看作是一个子波震源，根据惠更斯原理下一时刻的包迹，仍会得到平行于多孔金属板的波振面，除了靠近金属板面有些奇变外，波射线仍是垂直于金属板层的平行线，即仍是平面简谐波，只是波强减小。按照波的干涉分析，反射波相消时两列波波程差为半个波长的奇数倍。随着电磁波频率的增大，材料对电磁波直接吸收的能力增加，因此这种结构材料在高频段吸收峰的频率点将逐渐连成一片，形成连续的电磁波吸收带。
为避免第三部件30上的各金属层间感应电场相互影响，起到隔离作用的第二部件20应该采用绝缘性良好并且有一定厚度的透明的柔韧性材料。所述第三部件30与第二部件20、以及第一部件之间都是相互绝缘的。
图4a和图4b，是本发明在太赫兹波段和更高频率的吸收率特性。且在高频段的吸收率特性相对于低频段有以下特点：①高频段电磁波吸收率略低于低频段吸收率，②高频段吸收率谱线更加平滑，而低频段曲线则相对变化较大；③越往高频段吸收带边界处的斜率越平缓，并最终趋向于水平。
在本实施中，分别选取下附着层101为10um，上附着层102为10um，环型外包层103为5um，第一分割层201和第二份隔层202均选择10um尺寸。第三部件30中三个金属层的厚度均选择为2um，金属横条3011和金属纵条3012的宽度选择为90um，长度选择为740um，进行仿真(如图5所示)。
如图5所示，在纵条宽度增加时，随着尺寸的增加，吸收带向低频段移动；吸收带宽略有增加。可以根据应用中的实际需要，在给定的尺寸空间内变化各部件尺寸，在期望的带宽内达到较高的稳定吸收率。
本发明网状分层结构式电磁波吸收超材料相比于传统的单元阵列式超材料，吸收率特性更稳定、吸收率更高、吸收带更宽。通过设置第一部件和第二部件的厚度、材料等参数，以及第三部件的厚度、金属条宽度、长度，甚至材料等参数，就可以调节吸收带的宽度，吸收率的大小等。形成结构简单、易于设计的电磁波超材料，适用范围非常广泛。
此外，本发明还提供另一种结构方式：所述第三部件单元中的基本网状单元连续平滑的扩展为全平面的一种连续结构，如图6所示。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。