基于亚波长金属结构的新型吸波材料研究

Absorbing material is an important subfield in material science. Modern absorbing material characterized by "broad band, high efficient absorption, thin thickness, light weight" is crucial to national defense and economics. However, the existing absorbing material based on ferromagnetic powder cannot fulfill the requirement of light weight and thin thickness. Therefore, new theories and methods are demanded to explore novel absorbing material. Fortunately, the emergence of surface electromagnetic theory provides a new way to investigate absorbing material. In this project, a novel absorbing material based on metallic sub-wavelength structures is proposed. By utilizing the property that metallic sub-wavelength structures can localize electromagnetic waves in a small scale, the incident electromagnetic energy will be localized in the absorbing material, thus the interaction time and distance between electromagnetic waves and absorbing materials will be enhanced. As a result, a relative thinner absorbing material layer can meet the absorption requirement. There are already numerous reports about "perfect absorbing materials" in the visible wavelength, and many researches of meta-materials in the microwave region imply that the idea of this project is feasible. In this project, the study will be mainly aimed at microwave and millimeter wave. The research results are not only of theoretical significance, but also possess application value in the fields of national defense, civil technologies, etc.

"吸波材料"是现代材料学研究的重要分支，具有"宽波段、高吸收、薄厚度、轻重量"等特征的现代吸波材料研究水平对国防安全、国民经济都有重要的影响；基于现有吸波理论及铁磁粉体等吸波剂的吸波材料很难实现轻重量和薄厚度。构建新型"吸波材料"必须要引入新的理论和思想。表面电磁理论的出现为新型吸波材料的构建提供了新途径；本项目提出一种基于亚波长金属结构的新型吸波材料。利用亚波长金属结构对电磁波的高效局域特性和电磁能量调制特性，将入射电磁能量限制和局域于吸波材料内部，有效延长电磁波与吸波材料的作用时间和作用距离，在较薄的吸波材料层中即可获得好的吸波效果。可见光波段基于亚波长结构的"完美吸收"吸波材料相关研究结果已有报道，微波波段人工材料的相关研究也表明本项目思路是可行的；本项目将重点针对微波、毫米波波段开展研究，相关研究成果不仅具有重要的理论意义，同时也对国防、科技、民用等领域具有重要的应用价值。

“吸波材料”作为武器装备隐身的重要手段，受到各国学者的广泛关注。传统的吸波材料虽然已经发展了几十年，但在体积、重量或者吸收效率等方面存在不足，构造具有“宽波段、高吸收、薄厚度、轻重量”特征的新型吸波材料必须依靠新的原理和方法。正是基于上述考虑，课题组提出了基于亚波长金属结构的新型吸波材料研究。. 课题组经过近4年的探索，课题组按照预期安排，顺利完成了项目规定的相关研究内容。课题组首先针对亚波长结构电磁调控物理机制、基于亚波长金属结构的新型吸波材料设计方法开展了研究，研究了一般吸波材料电阻型、电介质型和磁介质型三类损耗机理，并结合传输线理论中的阻抗匹配思想，最终建立了一套基于亚波长金属结构的新型吸波材料的分析方法和设计思想。在此基础上，完成了”单层亚波长金属结构的新型吸波材料”、”双层亚波长金属结构的新型吸波材料”、“多频段亚波长金属结构的新型吸波材料”、“超低频段亚波长金属结构的新型吸波材料”等具有不同特征的多种新型吸波材料的构建、仿真与分析，研究结果表明：基于亚波长结构可形成40-70GHz的宽带吸收材料和70-100GHz的宽带吸收材料；并通过将两种三维堆叠局域结构进行融合，最终形成了带宽40GHz- 100 GHz的超宽带吸波材料。此外，课题组将本项目形成的亚波长金属结构电磁调控理论应用于天线系统中，构建了基于亚波长结构的高性能双极化天线系统，目前课题组已经与中电集团十所达成合作意向，该天线系统将有望在2017年获得应用。. 在本项目的支持下，课题组发表SCI文章4篇，另有2篇文章正在审稿中，申请发明专利1项，授权发明专利1项，参加国际交流会议9人次，先后培养周维成、余金清、王锐硕士毕业生3人，王义富、袁桂山、王楠博士毕业生3人。