基于铁磁微丝－碳纤维增强树脂基复合材料的反射型超构表面研究

Metamaterials has attracted tremendous interests in recent years due to the properties not existing in nature, such as negative refraction index，anomalous reflection/refraction and so on. However， few work has been done to integrate metamaterials into conventional structural materials to broaden their applications. We proposed a reflective metasurface based on amorphous ferromagnetic microwires aligned on carbon fiber reinforced composites, which is able to modify the microwave performance of the composites. Several functions can be achieved, such as, anomalous reflective surface, band-adjustable reflective flat focusing lens and noncontact stress measurement system. The study, on one hand, will broaden the applications of metamaterials, and one the other hand, will provide the conventional structural materials some novel properties.

将超材料与传统结构材料集成是实现超材料在工程中应用的一条重要途径。本项目通过在表面引入基于铁磁微丝的反射型超构表面- - 一种单层的超材料结构，使碳纤维增强树脂基复合材料获得对微波频段电磁波的调制功能，进而实现多种微波频段内的功能器件，包括带隙可调超薄吸波层、反常反射面、可变焦平面反射镜以及非接触式应力测量系统等。通过本项目的实施可以制备具有良好力学性能且可以对电磁波进行调制的功能化复合材料，实现功能材料与结构材料的复合。本项目一方面扩展超材料的应用范围；另一方面，实现对于传统结构材料的功能化改造。

将新型功能材料与传统结构材料结合是实现传统材料功能化的主要途径，也是拓展新型功能材料应用领域的有效方法。本课题将具有电磁特性的铁磁微丝阵列集成于碳纤维增强树脂基复合材料表面，形成具有电磁调制功能的反射型超构表面结构。首先通过数值模拟及理论分析，设计了具有微波调制功能的表面结构，并采用自行开发的高精密单丝缠绕成型设备制备结构可控的铁磁微丝阵列结构。而后，针对上述结构开展系统的性能表征与测试，实现了超薄吸收层、非接触式应力检测等在实际应用中具有重要价值的器件结构。上述结果对于碳纤维增强树脂基复合材料在航空领域内的应用具有重要的现实意义。 在上述基于铁磁微丝阵列的非接触式检测系统基础上进一步开发成功了多功能仿生汗毛皮肤传感器，这种传感器解决了传统电子皮肤传感器量程与精度之间的矛盾，实现了同时的大量程与多功能应力传感，并且通过铁磁微丝阵列的引入实现了风速检测，材料导电性、磁性等多种物性的初步鉴别等传统触觉传感器所不具有的功能。本成果在机器人触觉识别、人工智能、人造假肢等多个领域都具有广泛的应用前景。此外，本课题还制备了基于非磁性碳纤维阵列—碳纤维增强树脂基复合材料基体的超构表面结构并进行了性能表征。通过基于磁性与非磁性阵列超构表面的微波性能差异，探讨超构表面与微波作用的机理。在研究过程中，获得了碳纤维内部电导率随直径变化的规律这一重要数据，为进一步研究、调制碳纤维增强树脂基复合材料的电磁性能，以及研究碳纤维本身的结构性能关系都具有重要的科学意义。在本项自然基金的支持下，共发表SCI论文10篇，申请国家发明专利2项。基于铁磁微丝阵列的仿生汗毛皮肤传感器工作获得广泛关注，被美国福布斯杂志网站报道（forbes.com）并被Phys.org、livescience.com等物理、生物、机器人领域的多家科技网站报道、转载，国际同行也给予了高度评价。