基于微流控技术的3D打印吸波复合材料研制及吸波性能研究

Due to excellent microwave absorbing property, absorbing composites have been widely used in stealth technology, microwave communication technology, microwave chamber, anti-electromagnetic radiation, anti-electromagnetic pollution and other fields. In order to achieve the optimal design of composites, developing novel absorbing composites and exploring the mechanism of microwave absorption is important for related fields. In this project, the microfluidic-based 3D printing technology of multi materials is firstly induced into the fabrication of absorbing composites. This technology makes full use of the advantages of microfluidic technology and 3D printing technology. Microfluidic technology has the advangtage of fabricating micro structure with high accuracy, and 3D printing technology has the advantage of fabricating complicated structure. Three types of absorbing composites are fabricated, which is respectively pyramidal gradient absorbing composite, wood pile gradient absorbing composite, and wood pile absorbing metamaterial, and then investigate the absorbing properties of these composites. In addition, we plan to regulate the electromagnetic parameters of composites by changing the type of absorbing fillers and content. Furthermore, in order to reveal the mechanism of structural characteristics and material characteristics on absorbing property, experimental method and electromagnetic simulation method are employed. The theoretical model of absorbing mechanism is established as well. This project will provide reliable technological means and theoretical basis for the fabrication of high performance absorbing composites with thin thickness, low weight, wideband and powerful absorbing ability.

吸波复合材料具有杰出的微波吸收能力，已广泛应用于隐身技术、微波通信、微波暗室、抗电磁辐射以及防止电磁污染等领域。开发新型吸波复合材料，探索新材料的微波吸收机制，进而实现高性能吸波复合材料的优化设计，对相关应用领域具有重要意义。本项目首次在吸波复合材料的设计中引入基于微流控技术的多材料3D打印成型方案，利用微流控技术具有精确可控制备微结构的优势和3D打印成型技术具有定制化打印复杂构件的优势，分别设计制备出角锥型梯度吸波复合材料、木堆型梯度吸波复合材料以及木堆型吸波超材料。研究了不同结构类型吸波复合材料的吸波性能，通过改变吸波填料的类型、含量等特性，实现复合材料电磁参数的调控。结合电磁仿真方法和实验研究，揭示结构特性和填料特性变化对复合材料吸波性能的影响机制，并建立相应的理论模型。本项目将为研制具有厚度薄、质量轻、吸波频带宽、吸波能力强特点的高性能吸波复合材料提供可靠的技术手段与理论依据。

吸波材料可以吸收和衰减电磁波，消除电磁干扰和电磁污染，在隐身、通信等领域具有重要作用，研制新型高性能吸波材料，对国防和民用科技领域具有极为重要的现实意义。本项目即针对上述背景，开展了含有微流道结构的水溶液可调吸波超材料的设计制备、性能评价及其影响机制研究。采用3D打印技术获得内部具有微流道结构的吸波超材料，将具有高损耗特性的水溶液作为微波损耗介质注入微流道中，从而实现对电磁波的高效吸收。研究结果不但对于深入理解和精准调控吸波超材料的吸波性能具有重要的学术意义，而且对指导吸波超材料的应用具有重要的参考价值。.首先，从结构方面，分别调控微流道的间距、边长等参数，研究结构参数的改变对超材料吸波性能的影响规律，并结合介电常数结果分析结构参数改变对超材料吸波性能的影响机制。研究表明，纵横交叠设计的微流道结构内填充超纯水后，可通过改变微流道边长和间距有效调控吸波超材料的微波吸收率在X波段高于99%。反射损耗峰值与相对介电常数的变化关系符合四分之一波长理论衰减公式。.其次，从材料方面，通过在水溶液中添加不同配比的Pedotpss和Ethanol，以改变水溶液介电损耗特性，并结合介电常数结果分析了材料特性的变化对超材料吸波性能的影响机制。研究表明，在水中添加Pedotpss和Ethanol有效实现了对水溶液的导电性能和介电性能的调控，进而改变了吸波超材料的吸波性能，获得了X全波段微波吸收率大于99%的优异吸波性能。通过溶液混合来调控吸波性能的本质是不同极性和导电特性分子的掺杂导致的溶液体系介电损耗特性的变化。.最后，采用CST电磁仿真软件，结合实验数据，建立仿真分析模型，研究填充水溶液的微流道结构内微波的作用机理，阐述本研究中所设计的超材料对电磁波的衰减机制。仿真结果表明，水溶液对微波的损耗主要源于自由电荷与极性水分子在高频电场作用下的极化运动，将电磁能转化为热能。靠近电磁波入射一侧微流道平行于电场极化方向，微流道内水溶液内产生平行于电场极化方向电流，对电磁波起主要损耗作用。