2019, Vol. 27
超材料是一种由金属结构有序排列组成的人造材料，具有负折射率和负磁导率的奇异特性而引起了人们广泛的关注[1]，由于其具备特殊的电磁特性，超材料在各个领域都有所发展，从早期的超级透镜到电磁隐身斗篷[2]再到波导器件[3].
超材料具有的特点之一是可以通过调节结构的几何尺寸实现所需的介电常数和磁导率，这种介电特性可定制、频响可调控的设计性，是超材料具有的显著优势.2008年，Landy等[4]将超材料引入了吸波材料中实现微波段的窄带的完美吸收.经过十多年的发展，超材料微波吸收器件从当初的窄带吸收[5-8]，逐渐扩展到高频宽带吸收[9-11]、全频段高吸收[12]的电磁吸收性能.在电性能的设计上，超材料表现出来了比传统吸波材料更加灵活多变的特点，可以通过调节超材料单元的结构参数设计其吸波频段和位置[13-16].何君等[17]设计了一种以聚酰亚胺基底的双开口谐振环超材料，其在太赫兹频段50%滤波带宽超过180 GHz，张勇等[18]采用双面溅射铜激光烧蚀的方法制备了圆环套十字形超材料，但金属铜膜在高温下可能被氧化等导致厚度不均，且其谐振点均在15 GHz以上.与此同时，现有的诸如光蚀刻法、纳米压印[19]、电化学沉积法[20]、3D打印[21]等超材料中金属微结构的加工方法，其过程繁琐，成本很高且加工周期长，技术要求高，特别是在大曲率，复杂外表面的加工的难度很大[22]，大批量制作成本高[23]，极大地限制了超材料的大规模应用.
本文从制备超材料的金属材料入手，研究了不同电导率材料制备的超材料的吸波性能，并通过喷涂法制备了由导电银浆构成的超材料，工艺上具有技术简单、成本低、可针对大曲率，复杂外表面进行施工应用.通过仿真和实验双重手段研究了低电导率超材料的电性能，为超材料的制备以及大规模应用开辟了一个新的方向.
1 设计超材料结构设计的超材料结构如图 1所示，外正方形边长a=8 mm，开口g=2.8 mm，所有金属条的宽度w=1.2 mm.背板为金属板，所有的金属都为铜，厚度为0.017 mm，导电率为5.88×106 S/m.谐振结构和金属背板分别处于边长c=12 mm、厚1 mm的PMR聚酰亚胺基板(介电常数实部为4，虚部为0.025).由图 1可知，金属材质的超材料在6.7 GHz处产生了一个窄带的吸收峰，-10 dB的吸收宽度从6.62 GHz到6.72 GHz.为研究超材料结构的电导率对吸收性能的影响，在软件中定义了一种金属材料，赋予其不同的电导率参数，在其他参数不变的情况下，对不同的e值进行仿真计算，仿真结果如图 2所示.
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图 1 超材料结构设计(a)、电磁波入射方向(b)及吸波性能仿真结果(c) Fig.1 Design of meta-materials (a), electromagnetic wave incidence direction (b), and the simulation result of meta-materials radar absorbing (c) |
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图 2 不同电导率超材料的吸波性能仿真结果 Fig.2 Simulation results of meta-materials with different conductive rates |
由图 2(a)可知：当金属电导率为105S/m时，在6.5 GHz处保留了一个窄带的吸收峰；但随着电导率降低到103 S/m的时候，其吸收峰基本上消失了，说明金属的导电性能对超材料的吸波性能有很大的影响.
为了进一步确认改变金属电导率的影响，分别把材料的电导率设置为103和104 S/m，研究了在不同基底材料厚度下超材料的吸波性能.仿真结果如图 3所示.
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图 3 不同基底材料厚度吸波性能仿真结果 Fig.3 Simulation results of the substrate with different thicknesses |
由图 3(a)可知，电导率103 S/m的超材料结构，厚度为3 mm时，在6.1 GHz左右实现了深吸收峰，-10 dB以下的吸收带宽为5.89~6.39 GHz，相比于高导电性能的材料(电导率为106 S/m的金属铜条)，其吸收带宽扩展了0.3 GHz.
由图 3(b)可以看出，电导率104 S/m的超材料结构，当厚度为2 mm时在6.6 GHz处实现深吸收，-10 dB以下的吸收频段为6.6~6.7 GHz.且电导率为103和104 S/m的超材料，随着基底材料厚度的增加，其吸收峰均先加深后变浅，各自存在最优值.这充分了说明了超材料的导电性能也是设计隐身超材料的隐身性能的关键参数之一，并且可以在基底材料厚度与超材料电导率之间设计最优的吸收性能.同时，对比不同电导率条件下超材料结构的吸波性能，发现超材料导电性能越低实现最佳吸波性能的基底材料厚度越厚，但频带扩展的宽度越宽.
为进一步分析低电导率超材料的吸收机理，分析了电导率103 S/m，基底材料厚度3 mm时超材料结构在谐振中心频点处的电磁场能量分布，并与电导率106 S/m的铜金属条超材料的电磁场能量分布进行了对比，结果如图 4所示.
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图 4 电导率为103 S/m时电磁场能量分布 Fig.4 Energy distribution when the conductive rate is 103 s/m: (a) electric energy; (b) magnetic energy; (c) metal back plate magnetic energy |
由图 4可以看出，低电导率材料所构成的超材料依然是谐振吸收，超材料中的平板电容器结构形成了电谐振，超材料结构与金属背板之间形成了磁谐振，并分别分布有电场能量以及磁场能量.然而，与图 5的高电导率材料所构成的超材料结构相比，低电导率材料的磁场和电场能量强度都有所降低，这就说明，由于厚度的增加，入射电磁波的能量有一部分消耗在了基体材料中，从而改善了整个超材料吸波结构的频散特性，扩宽了吸收频带.
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图 5 电导率为106 S/m时电磁场能量分布 Fig.5 Energy distribution when the conductive rate is 106 s/m: (a) electric energy; (b) magnetic energy; (c) metal back plate magnetic energy |
为验证上述结论，进一步开展了实验对设计的超材料的电性能进行了研究.根据所设计的超材料模型，加工了适合喷涂的模具，如图 6所示.
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图 6 喷涂模具 Fig.6 Spraying mould |
模具由金属材料构成，采用线切割，按照实际的尺寸把设计的超材料结构镂空(黑色部分).同时，制备了不同厚度的E玻璃纤维+聚酰亚胺树脂的层压板，采用波导法测量电磁参数，其介电常数实部为2.56，虚部为0.021.
对北京航空材料研究院的产品HD-01室温固化导电涂料(材料标准号为Q/6S 2004-2010《HD-01室温固化导电涂料》)进行了一定的粘接改性，并实施了超材料的喷涂，涂料由处理的片状导电银粉、粘接剂、助剂、溶剂等复合而成，具有物理力学性能优良、导电性能优良、难降沉等特点，可以采用喷涂或刷涂施工.
一般可以对非金属基材进行导电化处理，实现对电磁波的高屏蔽和强反射性能，涂料的基本性能如表 1所示.
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表 1 导电涂料性能 Table 1 Conductive coating properties |
根据方块电阻的计算公式
采用改性HD-01导电涂料，在已成型好的E玻璃复合材料板上喷涂，板子的实际厚度分别为1.02 mm.喷涂状态如图 7所示.
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图 7 实物图E玻璃复合材料板 Fig.7 E-glass composite material |
采用TH2512型智能直流低电阻测试仪测量涂层电阻，导电涂料厚度为40 μm，E板上的导电涂料电导率约为2.27×104 S/m，采用弓形法测量超材料的电性能，如图 8所示.由图 8可以看出，采用低电导率的导电涂料可以制备超材料，当基底材料厚度为1 mm时，无深吸收峰，与仿真结果吻合，进一步增加基底材料的厚度，测试结果如图 9所示.
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图 8 1 mm E玻璃基板超材料实验结果 Fig.8 Experiment result of meta-materials with 1 mm E-glass substrate |
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图 9 不同基底材料厚度下的实验结果 Fig.9 Experiment results based on different substrate materials |
由图 9可知，当基底材料厚度为2 mm时，材料在7.8 GHz处实现了深吸收(-23.2 dB)，相比于仿真结果，实验结果的吸收频带向高频移动了，这是因为实验所用导电银浆材料的电导率以及基底材料的电磁参数与仿真时设置的材料参数不同而导致的.随着基底材料厚度进一步的增加，吸收峰变浅，这说明其性能有最优解，与仿真结果一致.
3 结论本文提出的喷涂法制备超材料，可实现任意形状基底材料的超材料加载，有助于解决超材料在大曲率、复杂外形等部位难以应用的问题.设计了一个在6.7 GHz处具有电磁吸波性能的超材料吸波体，通过仿真计算研究了不同电导率、不同基底材料厚度下吸波体的吸波性能，主要结论有：
1) 在低电导率条件下，增加基底材料厚度可以实现宽频深吸收，并且厚度有最优值，这就说明电导率也是设计超材料吸波性能的关键参数之一.
2) 根据仿真结果，采用优异的导电涂料制备了超材料结构，超材料结构的吸波性能与仿真结果的基本结论吻合.
3) 吸收频带的移动是由于基底材料电性能以及超材料电导率与仿真设置不同所引起的，实验结果的基本规律与仿真结果一致.
4) 喷涂法制备低电导率超材料吸波体，为超材料的大规模应用开辟了新的方向.
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