纤维复合材料高频电磁特性研究

纤维复合材料是指将具有特定功能的纤维填充到基体材料中所形成的复合材料，它具有非常优异的电磁和力学性能，被广泛应用于电子、航空航天等领域。准确表征纤维复合材料宏观电磁特性与其微结构之间的内在关联，是工程中应用纤维复合材料的必要基础。近年来，研究者又开始关注纤维复合体系中的表面等离子体激发、电磁响应的交互耦合诱发的各种新异电磁现象。本项目将围绕纤维复合材料的高频电磁特性，通过理论和实验手段深入研究电磁波在含有纤维的复合材料中的传播问题。在现有的有效介质理论的基础上引入描述渗流现象的标度理论，建立起能够定量表征较高填充比的短纤维复合材料电磁参数的有效介质理论模型。基于多重散射方法，建立二维纤维复合材料整体的电磁散射模型，利用该模型并结合实验，研究这类复合材料中影响人工磁性、负折射等新异电磁现象的主要因素，发展和完善描述这些特性与复合材料内禀性质关联的理论体系，实现对它们的设计与调控。

围绕着纤维复合材料的高频电磁特性，从纤维材料制备与测量、纤维材料物性的理论表征及纤维材料中的新异电磁特性等方面开展了理论和实验研究。制备了宏观均匀的纤维复合材料，并搭建了自由空间和平行板波导测试系统对其高频物性进行了实验测量。利用尺度相关有效介质理论准确表征了低填充比的短纤维复合材料中的高频人工磁响应，直接确认了前人的相关理论预测。确定了引入标度理论的有效介质理论模型对频散媒质的有效性，利用该模型提取了磁性纤维的内禀电磁参数。在纤维复合材料观察到了太赫兹波段的异常透射增强。建立并完善了表征二维复合材料整体电磁散射特性与复合材料内禀性质关联的多重散射模型。基于该模型，分别在磁性基体与金属纤维的复合体系和硬磁材料构成的复合体系中设计实现了负折射率材料。设计并构建了一种基于相移测量的二维复合体系能带测量系统，利用该系统研究了二维复合体系中单向传输与慢波特性。此外，还探讨了纤维复合材料在新型天线、新型吸波材料等领域的应用。