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一种基于3D打印技术的结构型宽频吸波超材料

一种基于3D打印技术的结构型宽频吸波超材料

供稿人:张志坤 李涤尘 供稿单位:机械制造系统工程国家重点实验室  发布日期:2021-03-07
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近年来,由于超材料型吸波结构具有厚度薄、质量轻、吸收强、可调节等优点,受到了国内外学者的广泛关注。超材料结构的制备方法通常复杂而且周期较长,尤其对于三维结构的加工更加困难,而将3D打印技术应用于超材料结构制造将有效克服结构复杂度引起的加工困难。

因而,中南大学的熊益军等设计了一种三层超材料结构,分别对该结构进行了建模、仿真和优化实验,并采用S参数反演法得到每一层的等效参数,提出了该结构的等效模型。同时采用3D打印技术制备出了该结构,研究了其吸收机理。该吸波超材料结构具有一定的实际应用价值,采用的3D打印技术为吸波材料的快速制造提供了有效的方法。

如图1所示,所设计结构为三层超材料结构,使用材料为羰基铁粉和尼龙的复合材料,其中羰基铁铁粉的体积占比为70%,利用CST电磁仿真软件对各结构参数进行优化,得到最优的结构设计模型。将该结构在CST软件中建模并进行仿真,可以得到透射系数S21和反射系数S11,根据S参数反演法可以计算得出表层和中间层的等效电磁参数。

图1 超材料结构模型及等效电磁参数(a)周期单元模型 (b)模型尺寸(c)羰基铁/尼龙复合材料电磁参数 (d)表层等效电磁参数 (e)中间层等效电磁参数

如图2所示,使用选择激光烧结(SLS)工艺制备出了该超材料结构,激光功率为45W,扫描间距为0.3mm,铺粉层厚为0.1mm。对制备样品的反射损耗进行测试并与理论计算结构和模拟仿真结果进行对比,该结构的反射损耗在4-18GHz均低于-10dB,在5.3GHz和14.1GHz出现了两个较强的吸收峰。通过理论和仿真计算可知,该超材料结构的宽频效果源于三层结构带来的吸收频宽的叠加。本文的研究充分证明了3D打印工艺制备吸波超材料结构的可行性。

图2 超材料结构样品及反射损耗 (a)SLS工艺制备的超材料样品 (b)反射损耗结果对比

参考文献:

  1. Xiong Yi-Jun, Wang Yan, Wang Qiang, Wang Chun-Qi, Huang Xiao-Zhong, Zhang Fen, Zhou Ding. Structural broadband absorbing metamaterial based on three-dimensional printing technology. Acta Physica Sinica, 2018, 67(8): 084202.