导电纤维复合物的微波吸收机理研究

导电纤维吸收剂是一种理想的可实现重量轻、频带宽、吸收强的吸波材料。极低含量的导电纤维吸收剂在厘米/毫米波段的强吸收现象，一直缺乏很好的理论解释。经典有效媒质理论预测的微波反射率与实验存在着严重差异。传统理论忽略了纤维之间的耦合，没有考虑耦合引起的磁效应，理论计算的吸收率远小于实验值。申请者引入超材料思想，从复合物中纤维之间的耦合入手，考虑到纤维之间的耦合会使复合物出现磁效应，非磁性导电纤维复合物并非通常所认为的单纯电损耗，而是电损耗与磁损耗共存，由此导致导电纤维复合物的强吸收。该理论模型已能定性解释极低浓度直线型导电纤维复合物在厘米/毫米波的强吸收。本研究拟建立几种代表性形貌纤维的电磁响应模型，给出含导电纤维复合物吸收规律的合理解释，为纤维吸波材料的研制提供理论指导。

通过对导电纤维复合物在厘米/毫米波段与电磁波相互作用机理进行了理论探索。考虑纤维吸收剂的形状效应和高频时的趋肤效应，将经典有效媒质理论推广到导电纤维复合物的有效电磁参数的计算。研究了导电纤维吸收剂在高频时因纤维之间耦合作用而产生的磁效应，在毫米波段内，其“人工磁性”显著增强了复合物与空气的阻抗匹配程度。研究工作表明，导电纤维-介质复合物的吸波性能与纤维的长径比、电导率、直径、长度、体积分数等因素具有相关性。.在理论计算和分析的指导下，进行了碳纤维、多晶铁纤维吸收剂在泡沫型、涂层型厘米/毫米波兼容吸波材料的设计和制备工作。对复合材料在厘米波和毫米波段的吸收性能与理论计算结果进行了对比分析，实验结果与理论计算有较好的吻合。该理论模型较为成功地解释了极低体积分数下的导电纤维复合物在厘米/毫米波段的优异吸收性能。.对于U形、螺旋形等异形纤维复合物的电磁波吸收机理，采用了印刷电路板来制备超材料吸波器，并研究了其电磁波吸收机理。设计了一种基于平面螺旋结构的极化不敏感超材料吸波器，其厚度约为工作波长的1/62。从超材料结构单元的等效电阻、电感、电容串联电路理论出发，推导出超材料吸波吸收带宽与其品质因数成反比，通过添加集总电路元件，可以按照设计者的意图调整品质因数，拓展带宽，也可以通过提高品质因数减小带宽，提高峰值吸收率。.本项目在探讨纤维复合物强电磁吸收机理的同时，还研究了基于导电纤维人工电磁介质的其他超常电磁特性。利用金属纤维和高介电常数介质球壳，组合成面心立方结构，产生了各向同性的人工磁导率和负的折射率。数值计算了金属纳米颗粒发生表面等离激元共振时的散射和吸收截面，通过改变材料类型或尺寸大小来最大化地增强颗粒的光散射效率，且有效抑制其自身的吸收损耗，增强太阳能电池对太阳光的吸收，提高了太阳能电池的光电转换效率。利用印刷电路板技术，制备了一种基于平面螺旋结构的非正定磁介质，实现了法线方向磁导率为-1的非正定磁介质。利用非正定磁介质对倏逝波的部分聚焦效应，实现了对磁谐振耦合式无线电能传输系统效率的显著提升。设计了一种由银纳米纤维周期性排列成各向异性的圆环形超材料，可以在二维空间实现全向辐射的高效率空间功率合成。