电磁/水下隐身减阻一体化超结构增材制造及性能研究

来源：第三届航空航天增材制造大会优秀论文集章节内容
作者：迟百宏 刘家鑫 陆宽 李媛媛 张祎贝
作者单位：航天科技创新研究院 ，

导读：本文提出一种电磁隐身-水下隔声-超疏水减阻一体化超材料结构，可以应用于跨介质飞行器蒙皮结构，实现空中隐身、水下降噪、水下减阻等多种功能，并达成超材料结构的小型化和轻量化。设计的旋转堆叠金字塔吸波器扩展了电磁波吸收带宽，斜蜂窝五模材料在实现水下声波的高效隔离的同时具备较高的结构强度，也作为电磁超材料的基板；在电磁超材料的基础上，通过使用增材制造和超声空化技术，形成不同微纳尺度的各向异性表面超疏水结构，以减小水下阻力并实现流动控制作用。该一体化超结构材料在跨介质飞行器结构设计领域具有广阔的应用前景。

跨介质飞行器是可在空中飞行和水下潜航的新概念飞行器，它兼有飞行器的速度和潜航器的隐蔽性，可获取空中、水面、水下的敌我信息，并可针对敌方防御体系弱点，综合利用空中和水中手段突防，具有多任务能力。

为提升跨介质飞行器的生存能力和打击能力，本文研究了一种空中雷达波隐身、水下声呐隐身，水中航行减阻的电磁/水下隐身减阻一体化超结构，有助于增强飞行器在敌方多体制探测体系下的空中、水下突防概率，成为应对水面舰船、潜艇、反潜直升机等海上传统作战力量的撒手锏武器。

1 结构设计与仿真分析

1.1总体结构设计
  为满足雷达波隐身、水下声呐隐身，水中航行减阻的需求，整体设计为三层结构，顶层为旋转堆叠金字塔吸波器，用于扩展电磁波吸收带宽；中部为六边形斜蜂窝五模隔声材料，实现水下声波的高效隔离，同时具备较高的结构强度，可以作为电磁超材料的承载基底；底层为不同微纳尺度的各向异性表面超疏水结构，用于减小水下阻力，同时降低水流噪声。整体结构形式如图1所示。

图1 总体结构

1.2旋转堆叠金字塔结构与仿真分析
在谐振型宽带吸波器的设计与研究中，金属-介质堆叠结构一直是一种比较热门的设计思路。其主要利用了窄带吸收峰的连续叠加，形成宽带吸收的设计理念，所以金属层数的增加是扩展吸收带宽的关键。该方法常应用于金字塔和圆台等锥形结构。但限于锥形结构本身的高度，吸波器的带宽难以进一步增大。不少研究人员也提出了诸如非线性金字塔结构、多种金字塔结构以及多种介质材料堆叠结构等方式提高吸收带宽。然而这些结构都表现出尺寸随性能提高而增加的缺陷。

本文提出了一种有效提高金字塔吸波器的吸收带宽的新方法。通过将常规金字塔结构沿中心轴逐层旋转，即为每层金属贴片引入一定的旋转角度，能有效扩大该结构的高频吸收带宽。图2为根据逐层旋转方法设计出来的扭曲金字塔超材料吸波器。图2a表示的是由多层金属-介质层构成的传统金字塔吸波器，其中每层金属贴片的厚度为w1、贴片之间的介质层厚度为w2。金属贴片以侧边倾角α沿垂直方向逐层排列。图2c为我们提出的扭曲金字塔吸波器的吸波单元。图中的吸波单元以图2a所示的传统金字塔吸波器结构单元为基础，为每层金属贴片绕中心轴引入了旋转角度β/20，总旋转角度为β。

图2 金字塔吸波器的结构单元示意图

（a）传统金字塔吸波器（对照组）；（b）传统金字塔吸波器吸波单元的侧视图；（c）扭曲金字塔吸波器；（d）扭曲金字塔吸波器吸波单元的俯视图

如图3a所示，本文设计旋转堆叠金字塔吸波器作为电磁隐身结构，相比于对照组的传统金字塔结构，具有更高的吸收率，且能够在基础吸收带宽外的高频区域额外具有一段超宽带吸收效果，并保持吸收率在90%以上。

如图3b所示，扭曲金字塔结构的三阶谐振频率远低于传统金字塔结构的谐振频率，使得扭曲金字塔结构的三阶磁共振模式能够在高频宽带范围内与基础磁共振模式产生耦合，并实现额外的宽带吸收。

图3  电子结构层仿真结果

（a)传统和扭曲金字塔的吸收率；（b)谐振层表面的能量损耗分布

1.3斜蜂窝隔声结构与仿真分析
与使用由局部共振或布拉格散射产生隔声效果的带隙材料相比，通过阻抗失配对水声进行绝缘具有宽带有效性的优势。各向同性固体在法向入射条件下的声阻抗是质量密度与纵波速度的乘积，其声阻抗基本为定值不发生变化。而经过设计的各向异性固体在特定方向上的声阻抗非常小，倾斜蜂窝可以激发准横波和准纵波来调整波速，从而形成声阻抗失配进而达成隔声的效果。各类蜂窝的隔声效果如图4所示。

图4  各类型蜂窝隔声效果示意图

本文设计的各向异性斜蜂窝结构如图5a所示，其具体的参数为：图片。整体结构具有极小阻抗，应用于250Hz-3500Hz范围内低频水声的隔离，经过仿真分析，其平均传声损失是43dB。

图5  a)斜蜂窝具体结构;b)斜蜂窝隔声结构仿真分析结果

1.4微纳超疏水结构
赋予材料表面低表面能（化学成分） 和合适的微纳粗糙结构（形貌控制） 后，构建的超疏水界面会表现出超低表面能、界面致密的气体层和极小的固液接触面积，进而展现出高度憎水性（排斥作用）或超低水滴粘附性（结合力）。底层结构为仿水稻叶的超疏水结构。水稻叶呈现各向异性，水滴倾向于沿平行叶脉方向滚动。本文设计的超疏水结构分为两级结构，如图6b所示，第一级为周期性排列的微米尺度的棱槽结构，第二级为大量纳米级二氧化硅颗粒。

图6  二级微纳超疏水结构

2 超结构制备
针对实现空中电磁隐身的旋转堆叠金字塔结构，本文采用一体化制备工艺，选择增材制造技术中微滴喷射成形(MJM)技术制备多层超材料吸波体。如图7所示，以紫外光(395nm)固化树脂基材和红外光(815nm)固化纳米级导电银浆为原材料，采用非接触式喷墨沉积技术，实现两种材料同步混合打印。

图7  双喷头非接触式喷墨沉积原理

针对实现水下隔声的斜蜂窝隔声结构，本文使用金属增材制造制作斜蜂窝点阵结构。

针对实现水下减阻的超疏水结构，本文使用增材制造和超声空化制备仿水稻叶表面的多级粗糙微纳级结构。在增材制造的微米量级的流向结构基础上，利用超声空化原理投射大量纳米级二氧化硅颗粒，刻蚀并锚定在流向结构表面上，实现各向异性的流体浸润性，达成高效减阻的目的。

图8  （a）一体化超结构；（b）旋转堆叠金字塔结构；（c）斜蜂窝隔声结构；（d）微纳超疏水结构

3测试及分析
本文对实现电磁隐身的旋转堆叠金字塔结构样品进行了反射率测试。图9a表示的是在微波暗室中对样品的实测环境，图9b表示的是TE极化波在不同入射角度下的吸收率测试结果，在2-22GHz范围内，当入射角度在0到45°时，整个工作带宽的吸收率保持在70%以上。图9c为TM极化波的吸收曲线，在2-22GHz范围内，当入射角度在0到60°之间，整个吸波器的工作带宽始终保持着稳定的宽带吸收。此外，相比于基础共振模式激发的宽带吸收，由三阶共振模式激发的高频宽带吸收对TE极化波和TM极化波都表现出更好的入射角不敏感特性。

图9 （a）吸波器结构层测试；（b）TE模式下的实测吸收率；（c）TM模式下的实测吸收率

对用于隔声的高度各向异性斜蜂窝微结构样品进行了水下隔声的实验测试，测量结果显示，在低频范围250-1600 Hz的入射水声中，隔声量均大于20dB，平均隔声量为37dB，与仿真结果基本一致。

图6 （a）隔声结构层测试；（b）隔声结构层试验结果

对仿水稻叶表面的各向异性超疏水结构进行了表面湿润性测试，实验测得样品构筑的表面具有优异的疏水特性和各向异性，接触角最高达145°。

图3 结构表面湿润性

4 结束语
本文创新地提出一种适用于跨介质飞行器空中电磁隐身-水下隔声-超疏水减阻一体化的超材料结构，可以实现空中电磁隐身、水下声波隐身以及航行减阻功能。在该结构中，隔声五模材料既能有效调控水下声波，还是主要的承载结构；旋转堆叠金字塔吸波器主要作用在于降低空中雷达的可探测性；各向异性微纳粗糙表面能有效增加水与表面的接触角，实现超疏水减阻和流动控制功能。通过增材制造技术实现各功能层的制造，通过试验测试，获得整体性能如下：

（1）电磁隐身：整体实现了宽频段（2-22GHz）、大入射角域雷达波稳定吸收，其中在TE模式下，45°入射角以下雷达波稳定吸收率保持在70%以上；在TM模式下，60°入射角以下雷达波稳定吸收率保持在80%以上；

（2）水下隔声：人工设计各向异性斜蜂窝隔声-承载一体化结构，在低频范围200-1600 Hz 隔声量均大于20dB；

（3）减阻超疏水：仿水稻叶各向异性微纳超疏水结构，接触角大于145°。