磁性微米丝超复合材料的设计、制备及其电磁特性研究

Metacomposites refer to a specific class of multifunctional composites combining engineering composites and metamaterial properties. This special type of composites offers a potential solution to the significant needs of high-performance active stealth and stress-sensing of large-scale composites. The developed metacomposites systems to date suffer from many issues such as the low frequency and narrow bandwidth corresponding to double-negative index, and poor designability and adjustability. The present project aims to utilize a single soft-magnetic functional unit, i.e., magnetic microwires, by embedding them into the structural composite matrix following designated mesostructures constituted by the microwires, thus realizing negative permittivity and negative permeability within a broad band. The project will start off with the fabrication control and microstructural characterization in order to understand how the microstructure of microwires evolves with the fabrication parameters. Based on this knowledge, we will produce microwires with a fully adjustable high-frequency magnetic response. Subsequently, by using the produced wires, metacomposites of various mesostructure will be designed, fabricated and investigated with a focus on the relations between the local property/mesostructure and the mechanical and microwave behaviours of the composite. Thus, further optimizations of composites architecture can be advanced so as to, eventually, realize a metacomposite with double negative index occurred in a broad band. All the above proposed work will provide an important theoretical framework for the basic study of high-frequency properties of microwires and their metacomposites, as well as technological support for the development of stealth technology built upon the proposed large-scale metacomposites.

超复合材料是一种将工程复合材料与超材料特性融合一体的多功能复合材料。该特种复合材料有望解决大尺度复合材料构件的主动隐身及高敏应力传感等重大需求。目前发展的超复合材料体系存在着磁导率与介电常数实现双负的频率低、带宽窄、可设计性与可调节性差等一系列问题。本项研究旨在是利用单一软磁功能相微米丝埋入工程复合材料基体中，通过微米丝排列分布构成的介观结构设计，在宽频段实现双负的超材料特性。本项目从微米丝的制备控制与微结构表征出发，研究其微结构与磁结构随选择工艺控制参数的变化规律，制备出高频磁响应充分可控的微米丝；进一步设计制备不同介观结构的超复合材料，解明其局部性能、介观结构和整体的力学及微波行为之间关系的物理本质，从而优化超复合材料的结构设计，最终实现宽双负频段的超复合材料。通过本项目的开展，为微米丝及其超复合材料高频电磁特性的基础研究与基于大尺度超复合材料的主动隐身技术提供了重要的理论和技术支撑。

超复合材料是一种将工程复合材料与超材料特性融合一体的多功能复合材料。传统工程复合材料从材料角度可实现对其性能灵活调控，而传统超材料通过结构单元的精准设计可实现整体材料性能的精确调控。如果把两者结合在一起，就有望可以突破各自的局限性，实现材料性能的突破。依此思路，本项目以磁性纤维超复合材料为研究对象，系统研究了磁性纤维超复合材料的各个尺度的结构与电磁性能之间的关系，揭示了电磁性能变化的主要影响机制，提出了精准调控此类超复合材料的可编程式设计。研究发现对于单一成分的磁性纤维，通过电流退火、表面改性等手段可有效改变其磁结构和高频电磁特性；把这种纤维作为功能单元，通过序构设计就可以实现对整体复合材料电磁性能的有效调控。其中纤维的微结构、纤维排列的间距等结构参数都会显著影响整体的电磁行为。从功能基元的设计出发，通过在磁性纤维表面修饰纳米碳，由于载流子浓度的变化，可以诱发磁性纤维超复合材料的介电频散由Drude模式变为Lorentz模式，并且通过碳管层的厚度或者氧化石墨烯的还原程度，可以调控等离子共振频率。在序构设计方面，磁性纤维间距的变化可以影响电磁场的分布状态、有效电导率以及电磁波在介质中的行进速度，进而影响整体复合材料的电磁波谱。从宏观设计角度，我们提出了基于垂直界面的双功能单元设计：即在一个复合材料内同时引入磁性纤维和石墨烯性纤维、碳纤维等另外一种功能相，通过两者的极化能力差异实现对电磁性能的调控。总体来看，这样一个多尺度设计可以实现各个尺度结构的协同作用，从而实现对整体复合材料的电磁特性的精准控制与优化。这些研究结果表明，通过把超材料的设计方法引入到传统材料当中，可实现材料结构一体化的优化设计以及对结构和材料的有效利用，进而可极大的提高复合材料的性能并拓宽其应用范围，因此具有重要的科学意义与应用价值。