3D打印雷达隐身超材料关键技术与机理研究

The study on the stealth and radar absorbing materials of weapons and equipment has been at the forefront of the development of military equipment. Metamaterial is a new type of artificial material. Its characteristic is to build a cell structure to simulate the atoms of traditional materials, and then use this unit structure to form a periodic material. The metamaterial absorbs all of the incident electromagnetic waves in the radar wave band, through the rational design of the unit structure. In order to realize the radar wave isotropy absorption, the size of the metamaterial’ unit structure must be very small, which is a great challenge to the production process. In this project, the nano radar wave absorber is added to the UV curing resin with excellent mechanical properties, and the radar wave absorption ink-jet ink suitable for 3D printer is prepared. The influence of the variety and content of the nano radar absorber on the printing and curing speed of ink-jet ink was studied. Design a new type of radar stealth metamaterial unit structure based on the "blackbody theory". The effect of radar stealth metamaterial’ basic unit amplification or reduction on radar absorption band will be studied, to find a more practical method for adjusting radar absorption band. Using 3D printer to prepare a radar stealth metamaterial with polarization insensitivity, wide incidence angle and ultra wideband absorption. The absorption mechanism and design principle of the black body structure in the radar wave absorption metamaterial will be revealed.

武器装备的隐身化及雷达波吸收材料的研究一直处于军事装备发展的前沿。超材料是一种新型的人工材料，它的特点是构建一个单元结构来模拟传统材料的原子，然后用这种单元结构组成一个周期性的材料。雷达波吸收超材料正是通过合理设计超材料的单元结构，使超材料在雷达波频段内对入射电磁波全吸收。超材料要实现对雷达波吸收的各向同性，其单元结构尺寸必须非常小，这对制作工艺提出了极大挑战。本项目拟将纳米雷达波吸收剂加入力学性能优异的光固化树脂中，制备出适合3D打印机使用的雷达波吸收喷墨油墨，研究纳米雷达波吸收剂种类、含量等因素对喷墨油墨印刷适性、固化速度的影响；根据“黑体理论”设计新型的雷达隐身超材料单元结构；并研究雷达隐身超材料基本单元放大或缩小对雷达吸收频段的影响，找到一种较为实用的雷达吸收频段调节方法；使用3D打印机制备极化不敏感、宽入射角、超宽频吸收的雷达隐身超材料，揭示超材料中黑体结构的吸波机理和设计原理。

雷达波吸收技术是军事装备研发中重要的技术手段。本项目中合成了雷达波吸收性能优异的纳米吸收剂；设计了雷达波吸收超材料模型，并进行吸收性能模拟计算；打印材料并测试了吸收性能，揭示出了复合吸收剂以及黑体结构超材料的吸波机理，开辟了一条制备雷达波吸收超材料的新途径。.本项目主要研究了雷达波吸收剂种类、组分以及含量的变化对雷达波吸收材料电磁性能和吸收性能的影响；采用实时红外方法构建了雷达波吸收喷墨油墨光聚合动力学模型；研究了雷达波吸收剂含量变化对雷达波吸收喷墨油墨印刷适性及固化速度的影响规律；使用COMSOL软件设计超材料模型，并仿真计算模型的雷达波吸收效率。.主要研究进展概括为以下两部分： .1、经过SiO2包覆改性后，Fe3O4纳米粒子分散性大幅提高，平均粒径在20-30nm，包覆层厚度在10nm以下。RGO/SiO2/Fe3O4纳米复合材料的GO上均匀镶嵌着大量Fe3O4纳米粒子。RGO/SiO2/Fe3O4纳米复合材料的介电损耗性能优于GO、Fe3O4，磁损耗优于GO。含有不同种类、不同组分、不同含量吸收剂的材料最大反射损耗点均会随着匹配厚度的降低，而向高频区移动。当吸收剂组分质量比为GO:Fe3O4=7:3，含量为质量比2‰，且匹配厚度为4.5mm时的样品具有最大的反射损耗-56dB。.2、当入射电磁波波长的1/8小于吸收材料上的黑体腔体开口直径时，会产生明显的波导效应。此时，材料的波阻抗减小，进入材料内部的电磁波增加，并最终在黑体腔体中被多次反射后吸收。使用COMSOL软件设计了雷达隐身超材料基本单元结构，通过黑体腔的结构设计，增加电磁波在黑体内的反射次数能够提高材料的吸收强度和吸收频宽。利用几何光学方法模拟黑体腔对雷达波反射、吸收，仿真分析其吸收机理、极化不敏感和宽角度特性，计算不同结构单元对材料整体吸收效率的影响，设计出了具有荷叶表面，独特锥体内核的黑体超材料单元结构模型。