【摘 要】
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在现代军事技术领域,超材料吸收体正向着多功能化趋势发展,为了能够满足应用在隐身战机、军用舰船的座舱、指挥舱等方面的发展需求,吸波体在满足“厚度薄、重量轻、吸收频带宽、吸收强度大”的综合性能要求的同时,还需要具备较好在可见光频谱的透过性。更进一步地,研究发现透明吸波体的宽带吸收性能与高角度入射稳定性能存在一定的制约。随着入射角的增大,吸波体与自由空间失配程度逐渐加剧,从而引起了吸收强度减弱、吸收带宽
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在现代军事技术领域,超材料吸收体正向着多功能化趋势发展,为了能够满足应用在隐身战机、军用舰船的座舱、指挥舱等方面的发展需求,吸波体在满足“厚度薄、重量轻、吸收频带宽、吸收强度大”的综合性能要求的同时,还需要具备较好在可见光频谱的透过性。更进一步地,研究发现透明吸波体的宽带吸收性能与高角度入射稳定性能存在一定的制约。随着入射角的增大,吸波体与自由空间失配程度逐渐加剧,从而引起了吸收强度减弱、吸收带宽变窄等问题。本文研究重心是解决平面宽带透明吸波体的角度稳定性不够、共形吸波体的角度稳定性研究不足等问题,具体工作如下:首先,提出了一种基于方形螺旋单元的具有高角度稳定性的宽带透明吸波体。该吸波体依次由聚氯乙烯(Polyvinyl chloride,PVC)块制备的补偿层,由氧化铟锌(indium tin oxide,ITO)导电膜刻蚀而成阻抗层,PVC与衬底聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)块组合而成的基板层和底部由连续ITO膜制备的地板层四部分组成。为了获得宽带与高角度稳定性,利用补偿层解决了吸波体在高角度入射时与自由空间存在的失配问题,利用紧凑的方形螺旋单元拓展了吸波体在高角度入射时的吸收带宽。其次,针对现有柱面共形吸波体的角度稳定性研究不足的问题,设计了共形模型并进行加工以及实测。结果表明,该吸波体在包括不同曲率弯曲的共形状态下具有良好的透光性(平均透光率为69.4%)、宽带吸收性能(相对带宽大于或等于85.7%)和极高的入射角度稳定性(60°)。此外,还利用小型化设计实现了一种基于波浪螺旋单元的吸波体,实现60°的角度稳定性的同时拓展了吸收带宽。其次,为了更进一步拓展吸收带宽,提出了一种基于六边形组合单元的宽带高角度稳定的平面透明吸波体。该吸波体主要由双层透明聚4-甲基戊烯-1(Methyl pentene copolymer,TPX)板和双层ITO导电膜制备而成的夹心结构。首先,为了在高角度入射时实现宽带吸收,利用双馈偶极子谐振器原理,通过设计一种新颖的由中心连接线和六边形螺旋单元交织而成的“蛛网状”阻抗层结构调控反射响应。其次,为了实现吸波体的宽带与高角度稳定性的兼容性设计,利用低介电常数的TPX板用作最佳的基板层与补偿层。实验结果表明,该吸波体展现了良好的透光性(平均透光率为70.7%),超宽带吸收性能(相对带宽超过106.6%)和高角度稳定性(60°)。此外,其吸收带宽随着入射角的增大而逐渐增大,在60°入射时,其相对带宽达到124.6%。最后,为了将透明吸波体的应用进一步地扩展到例如飞机驾驶舱等非平面结构中,提出了一种球面共形宽带透明吸波体。该吸波体是由双层具有PET衬底的ITO膜夹空气基板层的单层吸波体。该吸波体在平面状态下的良好的透光性(平均透光率为68.7%),40°的角度稳定性与宽带吸收特性(相对带宽超过109.8%)都通过实验得到了验证。特别地,针对球面共形吸波体吸收性能的研究尚未见诸报道等问题,在中心弯曲角为45°的球面共形状态下进行了实验测试。结果表明,该吸波体的相对吸收带宽达到96.8%。总之,本文通过设计新颖的紧耦合阻抗层结构和选择合适的补偿层实现了吸波体的宽带吸收和高角稳定的兼容设计。所提出的多种吸收体展现出了宽频带吸收、高角度稳定性、交叉极化反射抑制性以及对各种角度入射时的极化不敏感性等重要特征,这使得其能够广泛应用于柔性材料、光学和雷达吸波领域。
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