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浙工大车声雷教授团队:蜂窝结构复合吸波材料的有效介质等效方法及微波吸收性能
作者:黄银刚 发布日期:2020-04-23 浏览次数:4829

导读:


传统的涂层吸波材料存在吸收频段窄、密度高、额外负载大、环境适应性差等问题,因此,结构功能一体化吸波材料成为当前的发展趋势。蜂窝结构轻质吸波材料兼具优异的力学承载性能和优异的吸波性能,并且能够制备成梯度功能复合材料和超结构复合材料从而进一步优化其吸波性能,逐渐成为该领域的研究热点。

蜂窝结构吸波材料是一种二维的周期性多孔材料,将其与上下蒙皮粘结起来可以构筑成三明治结构吸波板材,另外蜂窝结构吸波材料还可以设计为梯度功能复合材料和超结构复合材料。其具有吸波频带宽、密度小、强度高等优异的吸波和力学性能,满足电磁吸波材料结构功能一体化的需求。

但在蜂窝结构吸波材料的研究中常会遇到两个问题:第一,蜂窝结构吸波材料的结构参数很多,虽然这给性能调控提供了很大的自由度和优化空间,但也大大增加了性能优化的工作量,难以得到性能最佳的参数;第二,在电磁结构设计过程中结构单元的模型比较复杂,计算工作量大。特别是在梯度结构设计和超结构复合材料设计过程中难以确定单元结构,更无法用周期性边界条件进行结构设计。

最近,浙江工业大学磁电功能材料研究所车声雷教授团队利用CST微波工作室对蜂窝结构吸波材料及其各个参数进行了仿真研究,探索了蜂窝结构吸波材料的吸波性能最优化值。同时,通过两步等效的方法将蜂窝结构吸波材料等效为块体材料(图1,图2),通过传输线理论推导其吸波性能,通过实际测试和电磁仿真验证了该方法的准确性。

本研究所得的结构参数和等效方法极大简化了梯度功能吸波材料和超结构复合吸波材料的设计工作量,当单元结构不匹配的梯度蜂窝材料和超材料进行结构组合后,通过此方法也同样可以方便地进行结构设计和性能优化,并且通过传统的传输线方法就可以对其进行快速的计算。通过该方法优化后所制备的蜂窝吸波材料面密度仅为1.06 kg/m2,具有非常宽的吸收频段,其在4GHz、10GHz和17GHz分别有-10 dB、-20 dB和-25 dB的反射吸收峰(图3),满足了质量轻、吸收频段宽的要求。

相关工作在Elsevier旗下Composites Communications期刊发表了题为“Investigating the effect of honeycomb structure composite on microwave absorption properties”的研究论文,以上工作得到了国家自然科学基金(U1809215、51602283)、浙江省自然科学基金(LY20E020015)和浙江省公益技术应用研究计划(LGG19E020004)等项目资助。


 

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1a)蜂窝结构的一步等效方法;(b)吸波蜂窝结构的两步等效方法。


 

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2 吸波蜂窝材料吸收电磁波的微观场和等效场示意图

 

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3 a)吸波涂层相对介电常数实部、(b)吸波涂层损耗角、(c)吸波涂层厚度、(d)蜂窝芯孔径、(e)蜂窝芯高度对材料吸波特性的影响;(f)样品的仿真、预测及实际测试结果。

 


 

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李旺昌,1986年1月生,浙江工业大学材料科学与工程学院副教授,硕士生导师,磁电功能材料研究所副所长。2014年毕业于北京理工大学,获博士学位,2012-2013年在英国布里斯托大学先进复合材料中心(ACCIS)联合培养。目前主要从事磁性功能复合吸波材料和高频低损耗软磁材料的制备及理论研究。迄今发表学术论文70余篇(其中第一作者23篇,通讯作者2篇),申请和授权发明专利40余项,担任中国材料研究学会超材料分会青年理事,中国复合材料学会会员,中国光学工程学会会员。目前主持或参与国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、海军预研项目以及华为、航天等委托项目10余项。

 

 

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车声雷,1997年获日本东京工业大学工学博士学位,先后在日本住友金属矿山株式会社电子事业本部、TDK株式会社材料与工艺研发中心从事磁性材料、功能复合材料研究工作。2011年10月作为第4批国家“千人计划”创新人才全职回国任浙江工业大学材料科学与工程学院教授、功能材料研究所所长,目前兼任浙江省磁性材料行业协会副会长、日本国立静冈大学客座教授。近年来主持国家自然科学基金联合重点项目、重大横向项目等科研项目20多项,先后在Acta Materialia、Applied Physics Letters、ACS Nano、Science China Materials等期刊发表学术论文100多篇,申请发明专利150多项、已授权65项,并实现了高性能注塑磁料、高频软磁铁氧体等产品的产业化生产。曾获得天田科学技术研究奖、手岛纪念研究奖、“中国产学研合作创新奖”、“中国侨界贡献奖(创新奖)”等奖励。

 

 

原文信息
Wangchang Li, Liaoyuan Xu, Xu Zhang, Yu Gong, Yao Ying, Jing Yu, Jingwu Zheng, Liang Qiao, Shenglei Che, Investigating the effect of honeycomb structure composite on microwave absorption properties, Composites Communications 2020, 19, 182-188., https://doi.org/10.1016/j.coco.2020.04.003


转载自《爱思唯尔Elsevier