集成微波吸收和力學(xué)性能的輕量化梯度蜂窩元結(jié)構(gòu):分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

供稿人：張童童、王玲
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源：中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打印）分會(huì)

超材料是拓寬傳統(tǒng)微波吸收器帶寬的一種有效手段。電路圖案的添加可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)電磁性能可調(diào)，現(xiàn)有研究通常使用電阻墨水或銦錫氧化物(ITO)薄膜來作為超材料單元的電路成型材料。但大多數(shù)超材料吸波器的設(shè)計(jì)仍然難以在實(shí)踐中應(yīng)用，主要是由于以下原因:1。大多數(shù)吸波器通常采用多層結(jié)構(gòu)組裝，不能集成。2. 在許多文獻(xiàn)中報(bào)道的基板是實(shí)心板，它太大而不能用于輕量級應(yīng)用。3.其他基材，如泡沫、阻燃劑(FR-4)或有損材料，在機(jī)械性能方面有缺點(diǎn)，不能用作承重結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計(jì)兼具吸收性能和力學(xué)性能的新型元結(jié)構(gòu)成為近年來的研究熱點(diǎn)。

華中科技大學(xué)的Lei Zheng采用3D打印和絲網(wǎng)打印技術(shù)制備了一種集成的輕量化梯度蜂窩元結(jié)構(gòu)(GHM)。并利用等效電路法分析了分隔開來的蜂窩元結(jié)構(gòu)與互相連接的蜂窩結(jié)構(gòu)（CHM）的區(qū)別，如圖1所示。證明了蜂窩元結(jié)構(gòu)通過單胞之間的間隔提升了等效電容，降低了諧振頻點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)工作頻帶的低頻移動(dòng)。并且將原本的1個(gè)諧振頻點(diǎn)提升為3個(gè)，拓展了吸波帶寬。

圖1 (a) NHM和(b) CHM的原理圖 (c) NHM和(d) CHM的等效電路(e)六邊形回路等效電路圖

從上述分析可以看出，CHM在吸收性能方面優(yōu)于NHM。但是， CHM的各個(gè)單元之間沒有連接，因此它們是分離的，導(dǎo)致CHM的力學(xué)性能要弱于NHM。為了解決這一問題，同時(shí)獲得優(yōu)異的吸收性能和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)了一種新型的梯度蜂窩元結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 GHM示意圖:(a) 3 × 5單位胞，(b)單位胞透視圖，(c) GHM底圖，(d)單位胞俯視圖

采用熔融沉積制造(FDM)技術(shù)制備蜂窩基板，如圖3所示。通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)將FSS印刷在蜂窩基板的頂部。

圖3 (a) FDM的示意圖和(b)蜂窩基板的照片 (c)絲網(wǎng)印刷技術(shù)示意圖及(d) GHM制作樣品的照片

測試結(jié)果說明在5.5 ~ 17.5 GHz范圍內(nèi)，該元結(jié)構(gòu)的反射率低于10 dB，電、磁共振吸收帶寬達(dá)到105%。此外，該元結(jié)構(gòu)在工作頻率范圍內(nèi)還具有極化不敏感性、斜入射穩(wěn)定性和RCS抑制等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。壓縮實(shí)驗(yàn)表明，該元結(jié)構(gòu)的屈服極限達(dá)到13.04 MPa，說明該元結(jié)構(gòu)適用于大多數(shù)壓力環(huán)境。綜上所述，所提出的元結(jié)構(gòu)具有薄、輕、優(yōu)異的力學(xué)性能和寬帶吸收性能。

圖4 (a)用于反射率測量的消聲室照片(b)通過模擬和測量比較GHM的反射率和吸收率(c)單位質(zhì)量應(yīng)力-應(yīng)變和能量吸收的實(shí)測曲線 (d)壓縮前(e)壓縮后

參考文獻(xiàn)：
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.