一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料及制备方法

1.本发明属于柔性吸波超材料领域，具体涉及一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料及制备方法。


背景技术：

2.随着现代科学技术的发展，电磁波辐射对人们生活的影响日益增大。航班因电磁波干扰无法起飞而误点，移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作，室内的家用电器以及室外的发电站，发射塔，大型变压器等都在向我们的生存环境中辐射电磁污染。电磁辐射通过热效应、非热效应、累积效应对人体造成直接和间接的伤害。吸波材料能够治理电磁污染，能抵挡并削弱电磁波辐射。将吸波材料包围在电磁波发射源周围或是防护在人体周围均可有效吸收有害电磁辐射来保护人身安全。
3.雷达隐身技术是通过降低目标的雷达散射截面rcs达到隐形目的，其被视为减小雷达截面的必要对抗手段。雷达吸波材料可以应用于复杂形状目标表面，具有承载能力强和设计轻量化等特点，是目前最通用、最有效的隐身手段。传统雷达吸波材料通常由基体材料和吸收剂组成，在电磁波吸收、屏蔽和雷达隐身方面具有重要应用价值。但由于电磁参数、频散特性等限制，传统雷达吸波材料普遍存在着密度大、吸收频带窄、阻抗匹配差、涂层厚、高温耐受性差等瓶颈问题，单纯依靠传统材料掺杂或复合等手段无法突破这些瓶颈问题。
4.目前现有的吸波材料都存在吸收频带窄、耐热性差、厚度大或阻抗匹配差等问题，例如已公开发表的一种基于电磁超材料，虽然其厚度较薄仅为3mm并且可以实现在6个频点处的窄带吸波，但这种结构在2.5ghz处只能达到64％的吸波率，无法满足超材料“宽”和“强”的需求。


技术实现要素：

5.针对现有技术的问题，本发明一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料及制备方法，该材料是能够应用于军用飞行器的柔性吸波超材料，能够实现雷达隐身功能，兼具厚度小、吸波频带宽、成本低、易调控、制造工艺简单、耐高温等优点，实现“薄”“轻”“宽”“强”雷达隐身材料。
6.本发明的技术方案是：
7.一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料，所述材料结构包含三层，上层为电阻膜图案层、中间层为介质层、底层为金属层，电阻膜图案层通过磁控溅射技术镀膜在介质层上，介质层通过oca光学透明胶水与金属层实现紧密粘贴，其中电阻膜图案层的图案为仿鲨鱼皮结构，具体包括数个仿鲨鱼皮结构单元，每个结构单元包含四个有电阻膜覆盖的长方体仿鲨鱼皮盾鳞结构和数个无电阻膜覆盖的沟槽结构相结合。
8.进一步的，上述的一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料，所述电阻膜图案层的仿鲨鱼皮结构单元周期记为p，尺寸范围：4.5mm～36mm；结构单元内的四个长方体仿鲨鱼皮盾鳞
结构的宽度为a，尺寸范围：0.5mm～4mm；长度分别记为c1，尺寸范围：1.4mm～11.2mm、c2，尺寸范围：2mm～16mm、c3，尺寸范围：2.5mm～20mm、c4，尺寸范围：3mm～24mm；沟槽结构的宽度记为b，尺寸范围：0.25mm～2mm。
9.进一步的，上述的一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料，所述电阻膜图案层通过磁控溅射技术制备形成，材料为金属-非金属纳米颗粒复合薄膜，包括但不限于al-sio2、al-al2o3、ag-sio2、ag-al2o3、au-sio2、au-al2o3、w-sio2、w-al2o3、mo-sio2、mo-al2o3、ti-sio2或ti-al2o3。
10.进一步的，上述的一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料，介所述质层由非金属介质构成，包括但不限于聚酰亚胺、srtio3、聚酯、zro2、tio2、sio2或al2o3，介质层厚度记为h，尺寸范围：2.4mm～6.4mm。
11.进一步的，上述的一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料，所述金属层由金属构成，包括但不限于金、银、铝、钨、钼、铝镍合金或不锈钢，其厚度记为l尺寸范围：0.02mm～0.05mm。
12.进一步的，上述的一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料，所述仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料的厚度范围为：2.42mm～6.45mm。
13.一种上述的仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
14.步骤1、通过激光光刻技术制备掩膜版；
15.步骤2、通过磁控溅射技术将上层电阻膜图案层镀膜在中间介质层上，镀膜完成后，取下掩模版，在中间介质层上得到上层电阻膜图案层形状，实现二者的紧密结合；
16.步骤3、覆铜膜，通过oca光学透明胶水与底层金属层实现紧密粘贴。
17.进一步的，上述的仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料的制备方法，制备上层电阻膜图案层的图案前，采用大数据与人工智能技术优化结构参数p、h、a、b、l、c1、c2、c3、c4，实现不同波段的雷达吸收功能。
18.进一步的，上述的仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料的制备方法，步骤2采用的磁控溅射技术分为四个阶段，分别是准备阶段、抽真空阶段、镀膜阶段和结束阶段，步骤如下:
19.(1)准备阶段:首先清理腔体，避免上次实验残留在腔体内的物质对本次实验产生影响，然后装样，将预先处理过的基底放置在样品台上；
20.(2)抽真空阶段:先启动机械泵将腔体内真空抽至10pa以下，后启动分子泵将真空抽至3.0*10pa的高真空；
21.(3)镀膜阶段:向磁控溅射腔体内通入工作气体高纯氟气，调节流量控制阀，将工作气压调节至0.3pa。打开溅射电源，在纯氟气的条件下对靶材溅射清洗5min，调节电源功率至预定的参数，转动样品台，打开靶材和样品台之间的挡板，开始计时镀膜；
22.(4)结束阶段:关闭样品台挡板、电源和分子泵，分子泵停机后通入大气，打开腔盖取出样品。
23.本发明的优点及有益效果：
24.本发明仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料通过结构参数优化设计，实现雷达波段宽频吸收与隐身功能，克服了传统吸波材料频带窄，密度大等问题，同时具有厚度小、成本低、易调控、制造工艺简单、耐高温等优点，在“薄、轻、宽、强”方面实现了较大的突破，具有重要的军民应用前景。
25.目前现有的吸波材料都存在吸收频带窄、耐热性差、厚度大或阻抗匹配差等问题，
例如已公开发表的一种基于电磁超材料，虽然其厚度较薄仅为3mm并且可以实现在6个频点处的窄带吸波，但这种结构在2.5ghz处只能达到64％的吸波率，无法满足超材料“宽”和“强”的需求，本发明与其相比，在吸波频带与厚度方面进行了强化，吸波频带超过9ghz，厚度低于3mm。
26.由羰基铁粉和导电聚苯胺(pan)复合而成的新型宽频带雷达吸波材料其在6～18ghz范围内吸收量达5db，本发明与其进行比较，在吸收频带与耐高温、厚度方面均具有更加优异的性能。
27.对比cn113285234a，一种8～14ghz波段高效吸波超构表面材料，本发明与其相比，在实现宽频吸收的基础上，在1000k温度下热处理2h前后吸波性能保持不变，能够较好的适用于军用武器的雷达隐身。另一种多层结构的耐高温雷达吸波材料，本发明与其相比，厚度更薄、频带更宽、制备简单、成本较低，同时也能在高温下保持性能不变，具有更好的应用前景，能够满足吸波超材料“薄”“轻”“宽”“强”的要求。
28.对比cn110183230a，一种多层结构的耐高温雷达吸波材料，目前通过将不同温度条件下制备的碳团簇型材料细粉以一定比例与环氧树脂混合然后在模具中固化成型，该材料厚度为1.85mm，在8～12.4ghz频率范围内最小反射率达-30db其中反射率小于-10db的吸收带宽近60％，本发明与其相比具有更加优异的吸波性能，能够在9.76～19.56ghz频段范围内吸收率均大于80％，在11.36～17.92ghz的宽频范围内能够实现吸收率大于90％的强吸收。该吸波超材料在1000k温度下热处理2h前后吸波性能保持不变，适用于军用武器的雷达隐身，能够更好应用于军用武器中。利用磁控溅射制备的磁性多层膜微波吸波剂fe/sio2，其反射率小于-10db的带宽为6.64ghz厚度为1.47mm，本发明较其相比，具有宽频带，耐高温等优异的性能，能够更好应用于军用武器中。
29.通过对发泡型聚苯乙烯填充普通硅酸盐水泥制备的水泥基多孔复合材料的吸波性能进行了研究，结果表明：聚苯乙烯的体积分数为60％样品厚度为20mm时反射率最小在8～18ghz范围内小于-10db的带宽达6ghz，本发明与其相比具有厚度较薄且吸波频带更宽，实现了宽频吸收与超薄厚度。
30.同时，吸波超材料作为一种吸波性能可调节的人工材料，中高频段可以实现电磁波的完美吸收，存在难以实现宽入射角和宽频吸波等问题。而本发明专利中通过大数据与人工智能技术，不断优化仿鲨鱼皮周期性结构的宽频吸波特性，能够扩大雷达吸波超材料在微波波段的吸收带宽，与以往吸波材料相比，仿鲨鱼皮结构吸波超材料吸波性能更加优越、制备过程简单、更加轻薄且具有耐高温性能。
附图说明
31.图1为鲨鱼表皮扫描图；
32.图2为本发明电阻膜图案层的仿鲨鱼皮结构示意图；
33.图3为本发明仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料三维图；
34.图4为本发明仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料局部俯视图；
35.图5为本发明仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料实物图；
36.图6为本发明仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料的吸收率曲线；
37.图7为实施例中不同电阻膜阻值的超材料吸波模型的吸收率曲线；
38.图8为实施例中不同介质层厚度的超材料吸波模型的吸收率曲线。
具体实施方式
39.下面结合说明书附图和具体实施例是对本发明的具体实施方式做进一步详细描述，以下的实施例是用于本发明的说明，但不能用来限制本发明的范围。
40.实施例
41.如图1所示，鲨鱼表皮是由许多凹凸不平的微小盾鳞和沟槽组成，鲨鱼皮表面分布的盾鳞与沟槽彼此之间形成一定体积的空腔，通过鳞片夹缝小孔与外部相连。这种结构具有明显消声效应：当外部声波通过小孔进入空腔时能够在空腔内多次反射，将声能转化为热能实现消声作用。受此启发，本发明根据鲨鱼皮盾鳞与沟槽结构，设计出仿鲨鱼皮结构如图2所示，利用该仿鲨鱼皮结构实现雷达隐身。所设计的仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料三维图和俯视图分别如图3和图4所示，该超材料结构由上层电阻膜图案层、中间介质层和底层金属层组成。
42.军用武器隐身用雷达吸波材料需要同时具备宽频吸波、耐高温、轻薄、柔性等功能，根据综合隐身需求设计制备出了一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料，其实物如图5所示。如图3所示，该超材料结构由上层电阻膜图案层、中间介质层和底层金属层组成。上层电阻膜图案层图案为仿鲨鱼皮结构，具体包括数个仿鲨鱼皮结构单元，每个结构单元包含四个有电阻膜覆盖的长方体仿鲨鱼皮盾鳞结构和数个无电阻膜覆盖的沟槽结构相结合。
43.上层电阻膜图案层是由金属-非金属纳米颗粒复合薄膜al-sio2构成，其中电阻膜厚度为200ω；中间介质层是由非金属柔性sio2介质构成；底层金属层是由金属al构成。
44.制备该超材料的方法如下：
45.步骤1、通过激光光刻技术制备掩膜版；
46.步骤2、通过磁控溅射技术将上层电阻膜图案层镀膜在中间介质层上，镀膜完成后，取下掩模版，在中间介质层上得到上层电阻膜图案层形状，实现二者的紧密结合；
47.采用的磁控溅射技术分为四个阶段，分别是准备阶段、抽真空阶段、镀膜阶段和结束阶段，步骤如下:
48.(1)准备阶段:首先清理腔体，避免上次实验残留在腔体内的物质对本次实验产生影响，然后装样，将预先处理过的基底放置在样品台上；
49.(2)抽真空阶段:先启动机械泵将腔体内真空抽至10pa以下，后启动分子泵将真空抽至3.0*10pa的高真空；
50.(3)镀膜阶段:向磁控溅射腔体内通入工作气体高纯氟气，调节流量控制阀，将工作气压调节至0.3pa。打开溅射电源，在纯氟气的条件下对靶材溅射清洗5min，调节电源功率至预定的参数，转动样品台，打开靶材和样品台之间的挡板，开始计时镀膜；
51.(4)结束阶段:关闭样品台挡板、电源和分子泵，分子泵停机后通入大气，打开腔盖取出样品。
52.步骤3、覆铜膜，通过oca光学透明胶水与底层金属层实现紧密粘贴。
53.制备上层电阻膜图案层的图案前，采用大数据与人工智能技术优化结构参数p、h、a、b、l、c1、c2、c3、c4，实现不同波段的雷达吸收功能。
54.该超材料结构单元周期为p＝4.5mm，单元内包含四个长方体仿盾鳞结构宽度为a
＝0.5mm，长度分别为c1＝1.4mm、c2＝2mm、c3＝2.5mm、c4＝3mm，沟槽结构的宽度为b＝0.25mm，介质层厚度h＝2.4mm，金属底层厚度l＝0.5mm。该吸波超材料的吸收率曲线如图6所示，其在9.76～19.56ghz频段范围内吸收率均大于80％，在11.36～17.92ghz的宽频范围内能够实现吸收率大于90％的强吸收，该吸波超材料在1000k温度下热处理2h前后吸波性能保持不变，适用于军用武器的雷达隐身。
55.上层电阻膜图案层是根据鲨鱼皮盾鳞与沟槽结构设计仿鲨鱼皮结构，采用大数据与人工智能技术优化仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料的结构参数p、h、a、b、l、c1、c2、c3、c4，实现不同波段的雷达吸收功能。
56.优化过程如下：
57.通过一系列数据分析、优化，得出单元周期尺寸在毫米级别时，性能较好。
58.1.方阻值对吸波性能的影响分析
59.经研究发现，电阻膜阻值对超材料吸波模型的吸波也有一定影响，结果如图7所示：
60.在电阻膜图案层周期尺寸为36mm时，通过cst microwave studio 2021电磁仿真软件分析发现：
61.在电阻膜小于200ω情况下，随着电阻膜阻值的增大，频带越宽，性能越好；
62.在电阻膜大于200ω情况下，随着电阻膜阻值的增大，频带越窄，性能越差；
63.选定电阻膜为200ω。
64.2.介质层厚度对吸波性能的影响分析
65.通过控制变量法，选的方阻值为r＝200ω，周期p＝36mm，调节介质层厚度h，优化结果结果如图8所示：
66.经过大量模拟实验数据发现：介质层厚度有大，在中高频段能够实现超宽带吸收，介质层越薄，其能够在中低频段实现宽频吸收，考虑到实际应用需求，选定介质层厚度为2.4mm，能够在中低频带实现宽频吸波。

技术特征：
1.一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料，其特征在于，所述材料结构包含三层，上层为电阻膜图案层、中间层为介质层、底层为金属层，电阻膜图案层通过磁控溅射技术镀膜在介质层上，介质层通过oca光学透明胶水与金属层实现紧密粘贴，其中电阻膜图案层的图案为仿鲨鱼皮结构，具体包括数个仿鲨鱼皮结构单元，每个结构单元包含四个有电阻膜覆盖的长方体仿鲨鱼皮盾鳞结构和数个无电阻膜覆盖的沟槽结构相结合。2.根据权利要求1所述的一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料，其特征在于，所述电阻膜图案层的仿鲨鱼皮结构单元周期记为p，尺寸范围：4.5mm～36mm；结构单元内的四个长方体仿鲨鱼皮盾鳞结构的宽度为a，尺寸范围：0.5mm～4mm；长度分别记为c1，尺寸范围：1.4mm～11.2mm、c2，尺寸范围：2mm～16mm、c3，尺寸范围：2.5mm～20mm、c4，尺寸范围：3mm～24mm；沟槽结构的宽度记为b，尺寸范围：0.25mm～2mm。3.根据权利要求1或2所述的一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料，其特征在于，所述电阻膜图案层材料为金属-非金属纳米颗粒复合薄膜，包括但不限于al-sio2、al-al2o3、ag-sio2、ag-al2o3、au-sio2、au-al2o3、w-sio2、w-al2o3、mo-sio2、mo-al2o3、ti-sio2或ti-al2o3。4.根据权利要求1所述的一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料，其特征在于，介所述质层由非金属介质构成，包括但不限于聚酰亚胺、srtio3、聚酯、zro2、tio2、sio2或al2o3，介质层厚度记为h，尺寸范围：2.4mm～6.4mm。5.根据权利要求1所述的一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料，其特征在于，所述金属层由金属构成，包括但不限于金、银、铝、钨、钼、铝镍合金或不锈钢，其厚度记为l，尺寸范围：0.02mm～0.05mm。6.根据权利要求1所述的一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料，其特征在于，所述仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料的厚度范围为：2.42mm～6.45mm。7.一种权利要求1或2所述的仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、通过激光光刻技术制备掩膜版；步骤2、通过磁控溅射技术将上层电阻膜图案层镀膜在中间介质层上，镀膜完成后，取下掩模版，在中间介质层上得到上层电阻膜图案层形状，实现二者的紧密结合；步骤3、覆铜膜，通过oca光学透明胶水与底层金属层实现紧密粘贴。8.根据权利要求7所述的仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料的制备方法，其特征在于，制备上层电阻膜图案层的图案前，采用大数据与人工智能技术优化结构参数p、h、a、b、l、c1、c2、c3、c4，实现不同波段的雷达吸收功能。9.根据权利要求7所述的仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料的制备方法，其特征在于，步骤2采用的磁控溅射技术分为四个阶段，分别是准备阶段、抽真空阶段、镀膜阶段和结束阶段，步骤如下:(1)准备阶段:首先清理腔体，避免上次实验残留在腔体内的物质对本次实验产生影响，然后装样，将预先处理过的基底放置在样品台上；(2)抽真空阶段:先启动机械泵将腔体内真空抽至10pa以下，后启动分子泵将真空抽至3.0*10pa的高真空；(3)镀膜阶段:向磁控溅射腔体内通入工作气体高纯氟气，调节流量控制阀，将工作气压调节至0.3pa。打开溅射电源，在纯氟气的条件下对靶材溅射清洗5min，调节电源功率至
预定的参数，转动样品台，打开靶材和样品台之间的挡板，开始计时镀膜；(4)结束阶段:关闭样品台挡板、电源和分子泵，分子泵停机后通入大气，打开腔盖取出样品。

技术总结
本发明属于柔性吸波超材料领域，具体涉及一种仿鲨鱼皮结构雷达吸波超材料及制备方法。所述材料结构包含上层电阻膜图案层、中间层介质层和底层为金属层，电阻膜图案层通过磁控溅射技术镀膜在介质层上，介质层通过oca光学透明胶水与金属层实现紧密粘贴，其中电阻膜图案层的图案为仿鲨鱼皮结构，具体包括数个仿鲨鱼皮结构单元，每个结构单元包含四个有电阻膜覆盖的长方体仿鲨鱼皮盾鳞结构和数个无电阻膜覆盖的沟槽结构相结合。本发明通过结构参数优化设计，实现雷达波段宽频吸收与隐身功能，克服了传统吸波材料频带窄，密度大等问题，同时具有厚度小、成本低、易调控、制造工艺简单、耐高温等优点，在“薄、轻、宽、强”方面实现了较大的突破。的突破。


技术研发人员：刘晓明 华宇晨 孙杨阳 傅远翔 余欣燃 王强 杨在清 任志宇 关博文
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/16