基于形状记忆合金动态调控的吸波材料及制备石墨烯电容层的方法

1.本发明涉及电磁波吸收领域，特别涉及一种基于形状记忆合金动态调控的吸波材料及制备石墨烯电容层的方法。所述吸波材料为基于记忆合金、石墨烯材料相结合的动态调控亚波长结构吸波材料。

背景技术：

2.近年来，吸波材料因为其独特的电磁吸收性能而受到广泛关注，成为国内、外研究的热点。与常规的涂覆吸波材料不同，亚波长结构材料对电磁波的吸收效果主要取决于其单元结构设计。目前，亚波长结构吸波材料主要以静态模式工作，即结构一旦设计加工完成，其吸波特性也就固定，无法针对复杂多变的电磁环境进行动态改变。为克服这一功能限制，动态可调控吸波材料应运而生。在微波领域，常见的动态吸波调控手段主要有两种：一种是在亚波长结构材料中加载集成元件，如pin二极管、变容二极管等，通过改变集成元件所加载的偏置电压来实现对入射电磁波吸收幅度或频率响应的动态调控。另一种途径就是采用二维材料，如液晶和铁电材料等。然而，基于上述途径的动态吸波调控方法仍存在诸多瓶颈需要克服，比如工作带宽窄、调控范围小、功能单一等。因此，设计一款具有宽带，频率可调，幅度可控的多功能吸波材料，以适应日益复杂的电磁环境是必要的和迫切的。

技术实现要素：

3.为了解决上述问题，发明人基于记忆合金与石墨烯为主要材料，设计出了一种具备动态调控的亚波长结构吸波材料。形状记忆材料的引入，可以改变亚波长结构吸波材料的厚度尺寸，将亚波长结构吸波层和石墨烯电容层相结合从而实现宽带rcs缩减，同时通过控制施加在石墨烯电容层和形状记忆材料上的电压，可以改变吸波幅度和吸波频段，实现宽带吸波可调。
4.一种基于形状记忆合金动态调控的吸波材料，包含叠置的屏蔽层、第一形状记忆材料、石墨烯电容层、第二形状记忆材料和介质材料，其中，介质材料中嵌入了亚波长结构吸波层；第一形状记忆材料两端分别连接屏蔽层与石墨烯电容层，第二形状记忆材料两端分别连接石墨烯电容层和亚波长结构吸波层。
5.石墨烯电容层，可通过施加电压调控石墨烯电容层的等效方阻；通过分别在第一形状记忆材料、第二形状记忆材料两端施加电压控制第一形状记忆材料、第二形状记忆材料的伸缩长度。
6.进一步地，第一形状记忆材料、第二形状记忆材料均为铬镍记忆合金丝，由里及表分别还附着有绝缘漆和导电层；施加电压时，电源正负极直接连接到第一形状记忆材料、第二形状记忆材料两端的导电层上。
7.进一步地，第一形状记忆材料、第二形状记忆材料均为螺旋结构。
8.进一步地，屏蔽层包括金属平板、铝箔或碳纤维复合材料中的一种，具有雷达波屏
蔽效果。
9.进一步地，介质材料为泡沫、纤维增强复合材料、陶瓷中一种，支撑和保护亚波长结构吸波层。
10.进一步地，石墨烯电容层为多层结构，包括电阻膜、电解液层和石墨烯；电阻膜和石墨烯上分别设置有电极，通过电极与外部电路相连。电解液层夹在电阻膜和石墨烯之间。
11.进一步地，石墨烯上加工有周期排布的通孔，通过调节通孔尺寸来调整石墨烯电容层等效方阻的调控范围；电解液层以多孔聚乙烯膜为载体，并用离子液充分浸润制成。
12.进一步地，亚波长结构吸波层基底为聚酰亚胺膜，亚波长结构图案可以为方块、方环、圆环、开口环等或它们的变形体中的一种或多种，单元结构的周期都小于或等于最大吸波频率波长的1/4。
13.本发明的另一方面，公开了一种制备上述基于形状记忆合金动态调控的吸波材料的石墨烯电容层的方法，包含以下步骤：
14.步骤1，电阻膜电极的制备，将单面具有粘性的导电铜箔黏贴在导电膜的边缘，用于加载电压；
15.步骤2，电解液层的制备，该层以多孔聚乙烯膜为载体，将离子液均匀涂抹在多孔聚乙烯膜的两侧，使其充分浸润离子液。
16.步骤3，石墨烯电极的制备：将单面具有粘性的导电铜箔或者纯金电极黏贴在石墨烯的边缘，用作加载电压；
17.步骤4，石墨烯电容层的组装，按顺序将电阻膜、电解液层和石墨烯对齐压合，并排除层间的气泡，形成三明治结构的石墨烯电容层。
18.进一步地，步骤1中导电膜是聚酰亚胺薄膜基导电膜。
19.本发明具有的有益效果在于：
20.(1)本发明结构简单，加工可控性强；
21.(2)本发明提出的亚波长结构吸波材料可设计性强，不仅具有超宽带，而且频率可调，幅度可控，适应日益复杂的电磁环境。
22.(3)本发明提出的吸波材料通过形状记忆材料长度和石墨烯电容层等效方阻的变化，具有功能可重构的特性，能实时切换吸波与反射工作状态。
附图说明
23.图1为实施例1中的一种基于形状记忆合金动态调控的吸波材料结构示意图；
24.图2为实施例1中的石墨烯电容层结构示意图；
25.图3为实施例1中的石墨烯俯视图；
26.图4为实施例1中的亚波长结构吸波层俯视图；
27.图5为实施例1中石墨烯电容层等效方阻与基于形状记忆合金动态调控的吸波材料电磁波反射率间关系曲线；
28.图6为实施例1中形状记忆材料长度与基于形状记忆合金动态调控的吸波材料电磁波反射率间关系曲线；
29.图7为实施例1中石墨烯电容层等效方阻和形状记忆材料长度联合作用下，吸波材料电磁波反射率曲线。
具体实施方式
30.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
31.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
32.需要说明，若本公开实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
33.图1是本公开中基于形状记忆合金动态调控的吸波材料的结构示意图，吸波材料包含叠置的屏蔽层100、第一形状记忆材料201、石墨烯电容层400、第二形状记忆材料202、介质材料302，其中，介质材料302中嵌入了亚波长结构吸波层500；第一形状记忆材料201两端分别连接屏蔽层100与石墨烯电容层400，第二形状记忆材料202两端分别连接石墨烯电容层400和亚波长结构吸波层500。
34.第一形状记忆材料201两端分别与屏蔽层100和石墨烯电容层400采用冷粘胶黏剂进行粘接；第二形状记忆材料202两端分别与石墨烯电容层400和介质材料302采用冷粘胶黏剂进行粘接。
35.通过在石墨烯电容层400施加电压调控等效方阻；通过分别在第一形状记忆材料201、第二形状记忆材料202两端施加电压控制伸缩长度。形状记忆材料为铬镍记忆合金丝，由里及表分别还附着有绝缘漆和导电层。加电时，电源正负极直接连接到两端的导电层上。
36.第一形状记忆材料201和第二形状记忆材料202在外加电压时，在一定电压范围内，通过在形状记忆材料两端施加电压可以控制伸缩长度。由于螺旋状结构具有较大的形变范围，因此在实施例1中的第一形状记忆材料201和第二形状记忆材料202为螺旋状结构，当然也可以是线段等其他可行的结构。
37.为了具有更宽的调节波段，在上述实施例公开的基础上，第一形状记忆材料201和第二形状记忆材料202最小高度和最大高度相差为1倍以上。
38.屏蔽层100包括金属平板、铝箔或碳纤维复合材料中的一种，具有雷达波屏蔽效果。
39.介质材料302为泡沫、纤维增强复合材料、陶瓷中一种，具有较高的强度和表面平整度对亚波长结构吸波层500起到支撑和保护作用。
40.图2是本公开中石墨烯电容层400的结构示意图。石墨烯电容层400为多层结构，包括电阻膜403、电解液层402和石墨烯401。电解液层402夹在电阻膜403和石墨烯401之间。电阻膜403和石墨烯401上分别设置有电极，通过电极与外部电路相连。石墨烯电容层400 等效方阻调控范围介于50～1000ω/sq之间。电阻膜403方阻值介于5000～15000ω/sq之间。
41.图3是本公开中石墨烯401的结构示意图。石墨烯上加工有周期排布的通孔，通过调节通孔尺寸来调整石墨烯电容层等效方阻的调控范围。通过调整加载在石墨烯401电极和电阻膜403电极之间的电压大小，可以控制石墨烯电容层400等效方阻值大小。
42.图4是本公开中亚波长结构吸波层500的结构示意图，亚波长结构吸波层500的基底为聚酰亚胺膜，方阻值介于20～500ω/sq之间。亚波长结构图案可以为方块、方环、圆环、
开口环等或它们的变形体中的一种或多种，但其单元结构的周期都必须小于或等于亚波长结构吸波层的最大吸波频率波长的1/4。
43.在上述实施例的基础上，介质材料302为石英纤维增强氰酸酯复合材料板，介电常数实部为3.1～3.4，损耗为0.006，厚度为0.4mm。亚波长结构吸波层500的基底的厚度为50μm，单元阵列的周期为10mm，亚波长结构图案为方片，边长为5mm，亚波长结构吸波层阻值为 105ω/sq。石墨烯401厚度为100μm，通过激光雕刻的方法完成方形环结构加工，其中间方孔尺寸为5mm，阵列排布周期为10mm。
44.通过加电调控形状记忆材料的高度变化及石墨烯电容层400等效方阻值大小，可以实现调控亚波长结构吸波材料的电磁波吸波效果及吸波频率范围。
45.在上述实施例的基础上，形状记忆材料的初始高度为6mm的，当施加电压为0.6v时，形状记忆材料高度增加1mm；当施加电压为1.2v时，形状记忆材料高度增加6mm；当施加电压为1.8v时，形状记忆材料高度增加8mm。第一形状记忆材料201为h1＝4mm，第二形状记忆材料202为h2＝6mm。
46.石墨烯电容层400的制备分为以下几个步骤：
47.步骤1，电阻膜403电极的制备，将单面具有粘性的导电铜箔黏贴在导电膜的边缘，用于加载电压；
48.步骤2，电解液层402的制备，该层以多孔聚乙烯膜为载体，将离子液均匀涂抹在多孔膜的两侧，使其充分浸润离子液。
49.步骤3，石墨烯401电极的制备：将单面具有粘性的导电铜箔或者纯金电极黏贴在石墨烯的边缘，用作加载电压；
50.步骤4，石墨烯电容层400的组装，按顺序将电阻膜403、电解液层402和石墨烯401 对齐压合，并排除层间的气泡，形成三明治结构的石墨烯电容层400。
51.在上述实施例的基础上，步骤1中的导电膜是阻值为5000ω/sq的聚酰亚胺薄膜基导电膜。
52.对上述实施例中的吸波材料进行电磁仿真计算，相应的电磁波反射率如图5所示。在 3.7-17ghz频带范围内，电磁波反射率均可达-10db以下，具有宽带的吸波效果。随着石墨烯电容层400等效方阻变化，其吸波幅度还能实现动态调节，当石墨烯电容层400方阻从200 变化到800ω/sq，反射率可从-18db变化至-5db，最大变化范围达到-13db。
53.调节加载在形状记忆材料两端的偏置电压，可以实现形状记忆材料高度的变化。如图6所示，通过施加电压，第一形状记忆材料201的高度可以从6mm增加至10mm，第二形状记忆材料202的高度可以从4mm增加至8mm，该动态吸波材料的谐振频点可以实现从 8.5-13.5ghz调频变化，达到调谐吸波的效果，吸收峰值高于20db。图7则展示了在此基础上同时调节石墨烯电容层400偏置电压的效果，从中可以发现，其反射率均能调节到-5db 以下。该动态调控吸波材料宽带吸波状态下相对带宽可达128.5％，优于其他同类型设计。
54.因此，该超表面能够完成从宽带吸波状态到窄带吸波状态的切换，结合石墨烯阻值调控，在两种状态下都能进行吸波幅度调控，实现吸波和反射两种电磁调控功能的自由切换。
55.因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人
员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
56.本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

技术特征：

1.一种基于形状记忆合金动态调控的吸波材料，其特征在于：包含叠置的屏蔽层(100)、第一形状记忆材料(201)、石墨烯电容层(400)、第二形状记忆材料(202)和介质材料(302)，其中，介质材料(302)中嵌入了亚波长结构吸波层(500)；第一形状记忆材料(201)两端分别连接屏蔽层(100)与石墨烯电容层(400)，第二形状记忆材料(202)两端分别连接石墨烯电容层(400)和亚波长结构吸波层(500)；石墨烯电容层(400)，可通过施加电压调控所述石墨烯电容层(400)的等效方阻；通过分别在第一形状记忆材料(201)、第二形状记忆材料(202)两端施加电压控制所述第一形状记忆材料(201)、所述第二形状记忆材料(202)的伸缩长度。2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金动态调控的吸波材料，其特征在于，所述第一形状记忆材料(201)、所述第二形状记忆材料(202)为铬镍记忆合金丝，由里及表均附着有绝缘漆和导电层；施加电压时，电源正负极直接连接到所述第一形状记忆材料(201)、所述第二形状记忆材料(202)两端的所述导电层上。3.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金动态调控的吸波材料，其特征在于，所述第一形状记忆材料(201)、所述第二形状记忆材料(202)均为螺旋结构。4.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金动态调控的吸波材料，其特征在于，所述屏蔽层(100)包括金属平板、铝箔或碳纤维复合材料中的一种，具有雷达波屏蔽效果。5.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金动态调控的吸波材料，其特征在于，所述介质材料(302)为泡沫、纤维增强复合材料和陶瓷中一种，支撑和保护亚波长结构吸波层(500)。6.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金动态调控的吸波材料，其特征在于，所述石墨烯电容层(400)为多层结构，包括电阻膜(403)、电解液层(402)和石墨烯(401)；电解液层(402)夹在电阻膜(403)和石墨烯(401)之间；电阻膜(403)和石墨烯(401)上分别设置有电极，通过电极与外部电路相连。7.根据权利要求6所述的基于形状记忆合金动态调控的吸波材料，其特征在于，所述石墨烯(401)上加工有周期排布的通孔，通过调节通孔尺寸来调整石墨烯电容层(400)等效方阻的调控范围；电解液层(402)以多孔聚乙烯膜为载体，并用离子液充分浸润制成。8.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金动态调控的吸波材料，其特征在于，亚波长结构吸波层(500)基底为聚酰亚胺膜，亚波长结构图案为方块、方环、圆环、开口环或它们的变形体中的一种或多种，亚波长结构的周期小于或等于最大吸波频率波长的1/4。9.一种制备如权利要求1中所述的基于形状记忆合金动态调控的吸波材料的石墨烯电容层的方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1，电阻膜(403)电极的制备，将单面具有粘性的导电铜箔或者纯金电极黏贴在导电膜的边缘，用于加载电压；步骤2，电解液层(402)的制备，所述电解液层(402)层以多孔聚乙烯膜为载体，将离子液均匀涂抹在多孔聚乙烯膜的两侧，使其充分浸润离子液；步骤3，石墨烯(401)电极的制备：将单面具有粘性的导电铜箔或者纯金电极黏贴在石墨烯(401)的边缘，用作加载电压；步骤4，石墨烯电容层(400)的组装，按顺序将电阻膜(403)、电解液层(402)和石墨烯
(401)对齐压合，并排除层间的气泡，形成三明治结构的石墨烯电容层(400)。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤1中导电膜是聚酰亚胺薄膜基导电膜。

技术总结

本发明公开了一种基于形状记忆合金动态调控的吸波材料及制备石墨烯电容层的方法，该材料包含叠置的屏蔽层、第一形状记忆材料、石墨烯电容层、第二形状记忆材料、介质材料，其中，介质材料中嵌入了亚波长结构吸波层；第一形状记忆材料两端分别连接屏蔽层与石墨烯电容层，第二形状记忆材料两端分别连接石墨烯电容层和亚波长结构吸波层；可通过施加电压调控石墨烯电容层的等效方阻；通过分别在第一形状记忆材料、第二形状记忆材料两端施加电压控制它们的伸缩长度。本发明能够灵活地切换工作状态，实时地调整吸波频带和幅度，结构简单、可设计性强，对入射电磁波具有良好可调控效果，能够满足日益复杂的电磁环境需求。够满足日益复杂的电磁环境需求。够满足日益复杂的电磁环境需求。