集成微波吸收和力学性能的轻量化梯度蜂窝元结构:分析、设计和验证

供稿人：张童童、王玲
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

超材料是拓宽传统微波吸收器带宽的一种有效手段。电路图案的添加可以进一步调节电磁性能可调，现有研究通常使用电阻墨水或铟锡氧化物(ITO)薄膜来作为超材料单元的电路成型材料。但大多数超材料吸波器的设计仍然难以在实践中应用，主要是由于以下原因:1。大多数吸波器通常采用多层结构组装，不能集成。2. 在许多文献中报道的基板是实心板，它太大而不能用于轻量级应用。3.其他基材，如泡沫、阻燃剂(FR-4)或有损材料，在机械性能方面有缺点，不能用作承重结构。因此，设计兼具吸收性能和力学性能的新型元结构成为近年来的研究热点。

华中科技大学的Lei Zheng采用3D打印和丝网打印技术制备了一种集成的轻量化梯度蜂窝元结构(GHM)。并利用等效电路法分析了分隔开来的蜂窝元结构与互相连接的蜂窝结构（CHM）的区别，如图1所示。证明了蜂窝元结构通过单胞之间的间隔提升了等效电容，降低了谐振频点，从而实现工作频带的低频移动。并且将原本的1个谐振频点提升为3个，拓展了吸波带宽。

图1 (a) NHM和(b) CHM的原理图 (c) NHM和(d) CHM的等效电路(e)六边形回路等效电路图

从上述分析可以看出，CHM在吸收性能方面优于NHM。但是， CHM的各个单元之间没有连接，因此它们是分离的，导致CHM的力学性能要弱于NHM。为了解决这一问题，同时获得优异的吸收性能和力学性能，设计了一种新型的梯度蜂窝元结构，其结构原理如图2所示。

图2 GHM示意图:(a) 3 × 5单位胞，(b)单位胞透视图，(c) GHM底图，(d)单位胞俯视图

采用熔融沉积制造(FDM)技术制备蜂窝基板，如图3所示。通过丝网印刷技术将FSS印刷在蜂窝基板的顶部。

图3 (a) FDM的示意图和(b)蜂窝基板的照片 (c)丝网印刷技术示意图及(d) GHM制作样品的照片

测试结果说明在5.5 ~ 17.5 GHz范围内，该元结构的反射率低于10 dB，电、磁共振吸收带宽达到105%。此外，该元结构在工作频率范围内还具有极化不敏感性、斜入射稳定性和RCS抑制等优点。实测结果与仿真结果吻合较好。压缩实验表明，该元结构的屈服极限达到13.04 MPa，说明该元结构适用于大多数压力环境。综上所述，所提出的元结构具有薄、轻、优异的力学性能和宽带吸收性能。

图4 (a)用于反射率测量的消声室照片(b)通过模拟和测量比较GHM的反射率和吸收率(c)单位质量应力-应变和能量吸收的实测曲线 (d)压缩前(e)压缩后

参考文献：
Zheng L , Niu L , Wang T ,et al.Integrated lightweight gradient honeycomb metastructure with microwave absorption and mechanical properties: Analysis, design, and verification[J].Composite structures, 2023.