三维螺旋超结构/介质的低频协同效应及其吸波蜂窝制备

杨昊，徐逸凡，石跃婷，王睿，汪君，李维，陈志宏*

装备防护

三维螺旋超结构/介质的低频协同效应及其吸波蜂窝制备

杨昊a，徐逸凡b，石跃婷a，王睿c，汪君c，李维c，陈志宏a*

（武汉理工大学 a.理学院 b.材料科学与工程国际化示范学院 c.材料复合新技术国家重点实验室 武汉 430070）

拓展蜂窝吸波材料的低频吸收性能，提出一种三维螺旋超结构复合吸波蜂窝的设计方法。在吸波蜂窝中加载三维螺旋超结构，使用电磁场理论和等效电路理论定性分析螺旋超结构对复合蜂窝吸收性能的调控作用，以优化螺旋超结构的参数。入射电磁波在螺旋超结构表面激发驻波电流，产生强烈的电共振和磁共振，与蜂窝损耗介质产生协同吸收效应，增强了吸波蜂窝的低频吸收性能。仿真和实验结果表明，加载三维螺旋超结构使得吸波蜂窝的低频吸收性能显著增强，在1～6 GHz频段的平均反射损耗从−3 dB增强至−10 dB。

蜂窝吸波材料；超材料；低频吸收；等效电路

电磁波的广泛应用带来了电磁辐射、电磁干扰等问题[1-3]，导致人类生存空间的电磁环境日益恶化。在日常生活中使用的电子设备的辐射频率主要集中在低频段，目前对吸波材料的研究主要集中在2～18 GHz频段，2 GHz以下的低频电磁干扰仍是困扰传统吸波材料的关键问题[4-5]，因此迫切需要研究低频段的高效吸波材料。与涂层型吸波材料相比，蜂窝型吸波材料具有力学强度高、设计灵活、吸收频带宽等优点[6]，可同时承担吸波作用和承载作用，广泛应用于电磁波吸收、建筑、汽车等领域[7]。

目前，蜂窝结构吸波产品主要利用吸波浆料和芳纶纸蜂窝通过浸渍工艺制备而成，其吸波性能主要取决于蜂窝本身的尺寸及吸波浆料使用的损耗材料[8-10]。损耗材料包括介电材料（如炭黑、石墨烯、碳纳米管）、磁性材料（如羰基铁、铁氧体等磁性金属粉末）或它们与高分子的复合材料。介电材料的优点在于密度低、易制备，但单一的损耗机制导致有效吸收带宽（反射损耗低于−10 dB）窄、低频吸收能力差[11-12]。磁性材料具有磁、介电双损耗特性，有利于制备厚度薄、质量轻、吸收频带宽、吸收强的吸波材料，但是仍然存在低频吸收性能差的问题[13]。由此，将磁性材料或者介电材料与蜂窝复合，可在高频段取得较好的吸收性能，且制备工艺简单，但其低频段吸收效果仍较差。近年来，研究人员引入了超材料来解决传统吸波蜂窝在低频吸收差的问题。

超材料是一类由亚波长结构单元组成的人工电磁材料[14-16]，通过周期性的排布/编码超材料单元，实现对电磁波幅值、相位、极化方式、传播模式、色散的调控。研究人员对吸波蜂窝进行了超材料化设计，有效增强了吸波蜂窝的吸收性能。超材料蜂窝可分为2类，一类为谐振吸收型。例如He等[17]通过蜂窝孔填充的图案化设计，在双层蜂窝之间加入频率选择表面，设计并制备了一种宽带超材料吸波蜂窝。通过相邻频率选择表面单元之间的电共振与图案化的蜂窝单元的强吸收，厚度12 mm的超材料蜂窝在2.89～18 GHz频带内实现了超过90%的电磁波吸收率。Zheng等[18]提出了一种使用3D打印技术和丝网印刷技术制备的集成轻质梯度蜂窝，每个蜂窝单元呈梯度结构，在其表面印刷电阻油墨。该超结构蜂窝的厚度为5 mm，在5.3～15.9 GHz频带内的电磁波吸收率超过90%，具有良好的角度稳定性和极化不敏感性。谐振吸收型超材料复合蜂窝具有吸收能力强、调控灵活等优点，但其制备工艺复杂、制备成本高。另一类为散射型吸波蜂窝。例如Li等[19]设计并制备了一种超材料/蜂窝夹层复合吸波材料，通过在蜂窝表面加载超材料蒙皮，使入射电磁波产生异常反射和异常透射，降低了复合蜂窝的雷达散射截面，增加了电磁波在复合蜂窝中的传播距离，提高了低频宽带吸收的效果。吸波蜂窝的总厚度为31 mm时，吸波蜂窝在1.65～3.2 GHz和4.5～18 GHz频带内实现了超过90%的电磁波吸收。谐振吸收型超材料通常是由单一的金属图案结构组成的电磁谐振器阵列，它与入射电磁波的电磁分量分别耦合，产生电共振和磁共振，放大了局域空间的电磁场强度，进而被介质材料吸收。散射型超材料复合蜂窝由不同的结构单元组成，利用不同单元之间的反射波相位差实现干涉相消、异常反射，将反射波束打散到各个方向，达到减弱垂直反射电磁波强度的目的，但是被散射的电磁波同样存在被多站雷达侦测的风险。目前，超材料与吸波蜂窝的复合方法较复杂，通常将超材料单元贴于蜂窝壁表面，不易制备，因此亟待发展一种可与蜂窝简易复合，并且能显著增加其低频吸收效果的方法。

文中基于吸波蜂窝存在的瓶颈问题，设计一种加载三维螺旋超结构单元的新型复合蜂窝吸波材料，有效利用蜂窝结构的内部空间，降低吸波蜂窝厚度。通过仿真优化系统研究三维螺旋超结构的结构参数对复合蜂窝吸波性能的影响，并阐释相关机理，使三维螺旋超结构与磁性吸波材料产生协同吸收的效果。

1 超材料复合蜂窝结构设计

设计了一种三维螺旋超结构复合蜂窝结构，示意图如图1所示。复合吸波蜂窝以3D打印的聚乳酸（相对介电常数r=3，正切损耗角tan=0.01）蜂窝结构为骨架，在蜂窝孔中加载三维螺旋超结构（材质为不锈钢，电导率=7.69×106S/m），并填充损耗介质。损耗介质是由体积分数为5%的羰基铁粉（Carbonyl Iron Powder, CIP）和95%的聚氨酯（Polyurethane, PU）组成的磁性吸收材料（CIP/PU）。为蜂窝骨架孔径，为蜂窝壁厚，为总高度，为所设计的三维螺旋超结构单元的线径，1为底部螺旋半径，2为顶部螺旋半径，为螺距，为螺旋圈数，定义螺旋锥度=2/1。

图1 三维螺旋超结构复合蜂窝结构示意图

2 仿真结果与讨论

2.1 螺旋超结构对吸波性能的影响

采用仿真软件对复合蜂窝进行仿真计算。在轴、轴均设置周期性边界条件，轴为开放边界条件。针对复合蜂窝的端口激励电磁波沿方向入射，复合蜂窝的底部为金属反射背板。入射电磁波吸收率[20]的计算见式（1）。

式中：11为电磁波反射系数；21为电磁波透射系数。

由于有金属反射背板，因此透射系数为0，电磁波反射损耗L=20lg11。为了研究螺旋超结构对复合蜂窝吸波性能的影响，对比分析了如下3种情况的反射损耗：蜂窝仅加载螺旋超结构；蜂窝仅填充吸收介质；蜂窝加载螺旋超结构，且填充吸收介质。在仿真过程中采用的三维螺旋超结构复合蜂窝参数：=16 mm，=1 mm，=13 mm，=1 mm，1=15 mm，2=1.5 mm，=2 mm，=6，= 0.1。仿真条件与仿真结果如图2所示。由图2可知，当复合蜂窝中仅加载螺旋超结构时，在2.4～4.5 GHz低频段内出现了4个谐振峰，在9～18 GHz高频段内出现了若干个谐振峰。由于复合蜂窝中未填充损耗介质，谐振吸收峰的强度不高，因此仅加载螺旋超结构对复合蜂窝吸波性能的贡献有限。当复合蜂窝中仅填充损耗介质时，复合蜂窝对电磁波的吸收依赖于损耗介质的介电损耗和磁损耗，损耗介质在8.1、15.5 GHz存在2个本征吸收峰，有效吸收带宽仅为6 GHz。当在复合蜂窝中加载螺旋超结构且填充损耗介质时，在1.7～5 GHz低频段处出现了4个反射损耗低于−25 dB的强吸收峰，在1.7～17 GHz频段内反射损耗小于−10 dB。低频强吸收峰与螺旋超结构的谐振吸收峰对应，可见螺旋超结构与损耗介质会产生协同损耗效应，增强了复合蜂窝的低频吸收性能，拓展了有效吸收带宽。

为了进一步揭示螺旋超结构与损耗介质之间的协同损耗机制，分别研究了4个超材料谐振吸收峰（1.9、2.4、3、4.2 GHz）频点处螺旋超结构表面电流分布，如图3所示。

图2 螺旋超结构与吸收介质的协同损耗仿真结果

图3 螺旋超结构表面电流分布

由图3可见，在入射电磁波的激励下，螺旋超结构表面产生了强烈的感应电流，在螺旋超结构表面形成了等离子驻波共振[21-22]，驻波电流波节点如图3中黑色三角标所示。根据等离子体驻波共振理论，螺旋超结构谐振频率可根据式（2）计算。

式中：为光速；λ为驻波节点间的结构长度；r为损耗介质介电常数；r为损耗介质磁导率。

根据式（2）计算螺旋超结构谐振点，结果如表1所示。由表1可知，根据驻波等离子体共振理论计算的螺旋超结构谐振频点与仿真结果完全符合，可以确定螺旋超结构的谐振吸收峰由入射电磁波激发的驻波电流产生。

为了探究驻波电流在螺旋超结构复合蜂窝中引发的电磁现象，在仿真模型中添加场监视器，观察电磁场的能量分布。复合蜂窝电磁场能量密度分布如图4所示。如图4a所示，在驻波电流的作用下，在三维螺旋超结构上产生了电偶极子振荡，周围产生了强烈的交变电场。在1.9 GHz时，电场能量主要集中在螺旋超结构螺旋臂之间及相邻超结构单元之间，超结构底部的电场能量最强。相邻螺旋超结构底部产生了大的耦合电容，螺旋臂单元之间积累了大量电荷，在结构底部产生了电共振。根据等效电路理论[23-26]，耦合电容越大，谐振频率越小，因此低频谐振主要在螺旋超结构底部产生。在螺旋超结构内部区域可以观察到电场能量十分微弱，分析可知，当螺旋超结构发生谐振并产生交变电场时，也对电场能量产生了束缚作用，电场能量被束缚在螺旋超结构周围，外界入射电磁波无法透射，因此对螺旋超结构内部产生了电场屏蔽作用。随着入射电磁波频率的升高，电场能量向超结构顶部汇聚，与表面电流分布相互印证。在损耗介质本征吸收峰9 GHz时，可以看到螺旋超结构上仅有微弱谐振产生，此时复合蜂窝对电磁波的吸收依赖于吸收介质的本征吸收。

表1 驻波等离子体共振频率计算

Tab.1 Calculation parameters of standing wave plasma resonance frequency

由图4b可见，磁场能量主要集中在螺旋超结构螺旋臂之间以及超结构内部。与电场能量分布不同，螺旋超结构并未表现出对内的磁屏蔽特性。入射电磁波在超材料表面引起电流驻波共振，所产生的交变电流在螺旋臂圆周方向产生了局域交变磁场。同时，每圈螺旋超结构上的交变电流形成磁偶极子，在螺旋超结构轴向产生了局域交变磁场，因此螺旋超结构内外都产生了磁共振。在1.9 GHz时，磁场能量主要分布在复合蜂窝底部。在2.4 GHz时，磁场能量转移到不同的螺旋臂之间。在3 GHz时，复合蜂窝底部磁场能量明显减弱。在4.2 GHz时，磁场能量主要分布在螺旋超结构顶部，随着频率的升高，底部的磁场能量逐渐减弱。在吸收介质本征吸收峰9 GHz时，可以发现与电场能量分布类似，螺旋超结构顶部产生了轻微谐振。

图4 螺旋超结构复合蜂窝电磁场能量密度分布

损耗材料中电磁波的耗散与材料电磁场强度的平方及电磁参数成正比[27]，见式（3）。

式中：为电场强度；为磁场强度；为电磁波角频率；''为损耗材料介电常数虚部；''为损耗材料磁导率虚部。

根据以上分析，可知螺旋超结构与损耗介质的协同吸收机制：入射电磁波在螺旋超结构表面激发驻波电流，产生了电共振和磁共振，激发了强烈的交变电磁场，放大了此区域的电磁场强度。由式（3）可知，吸波材料的损耗能力得到极大增强，因此螺旋超结构与损耗介质的协同吸收效果远强于螺旋超结构吸收效果与损耗介质吸收效果的线性叠加。螺旋超结构复合蜂窝中的能量损耗密度如图5所示，可见能量损耗区域等于电场能量与磁场能量的叠加。

图5 螺旋超结构复合蜂窝能量损耗密度分布

2.2 等效电路模型

场论与路论是研究电磁现象的2种不同的方法。这里从路论入手，构建螺旋超结构复合蜂窝的等效电路，讨论局部空间内的电磁能量传输现象。根据2.1节对复合蜂窝电磁能量的分析可知，低频谐振峰（1.9、2.4 GHz）主要由螺旋超结构单元间产生，高频谐振峰（3、4.2 GHz）主要由螺旋超结构自身产生，因此复合蜂窝等效电路可分为2个部分，即蜂窝单元之间的谐振电路和蜂窝单元自身的谐振电路。

蜂窝单元自身等效电路如图6所示。其中，1为螺旋臂之间的耦合电容，2为螺旋臂与超结构间的耦合电容，3为螺旋臂的分布电容，4为超结构电容，5为超结构耦合电容，1为螺旋臂自感，2为螺旋臂间的互感，3、4为分布电感，1、2为吸收介质等效电阻。

采用电路仿真软件对等效电路进行拟合，确定等效电路（图6）中的集总参数，见表2。

图6 三维螺旋单元内的等效电路分析

表2 蜂窝单元间等效电路集总参数

Tab.2 Lumped parameters of equivalent circuit between honeycomb units

等效输入阻抗的计算见式（4）。

蜂窝单元间的等效电路[28-30]如图7所示。其中，1、2为螺旋臂之间的耦合电容，1、2为螺旋臂自感，4、5为螺旋臂与超结构之间的耦合电容，3、4、5、6为螺旋臂之间的互感，3、6为超结构单元之间的电容，7为超结构的电容，1、2为吸收介质等效电阻。

使用电路仿真软件对等效电路进行拟合，确定等效电路（图7）中的集总参数如表3所示。

图7 三维螺旋单元之间的等效电路分析

表3 蜂窝单元等效电路集总参数

Tab.3 Lumped parameters of equivalent circuit of honeycomb unit

等效输入阻抗的计算见式（5）。

电磁波反射损耗的计算见式（6）。

式中：0为自由空间波阻抗，0=377 Ω。

根据等效电路计算反射损耗，结果如图8所示。根据等效电路模型计算的复合蜂窝低频谐振峰与软件仿真的结果基本符合，证明了等效电路模型的准确性。根据等效电路模型，低频段电磁波能量在复合蜂窝的传递过程中，首先在螺旋超结构等效的LC谐振回路中激发电磁谐振，谐振频率电流达到最大值，随后被损耗介质等效电阻损耗。

图8 三维螺旋超结构等效电路模拟反射损耗

2.3 优化设计超材料结构参数

通过分析电磁场能量分布和等效电路模型可知，螺旋超结构对不同频段电磁波的响应位置不同，因此改变螺旋结构参数可以调整螺旋结构的谐振特性，从而优化复合蜂窝的吸波性能。

为了研究螺旋锥度对复合蜂窝吸波性能的影响，改变螺旋锥度进行仿真计算。通过调整螺旋锥度影响电磁波反射率的仿真计算曲线如图9所示，当螺旋锥度由1逐渐减至0.1时，随着螺旋锥度的减小，螺旋结构由柱形转变为锥形，可见螺旋锥度的改变主要影响6 GHz以下的低频段的吸波性能。螺旋锥度的减小使得双谐振结构转变为多谐振结构，即除了原来的螺旋单元间的谐振与同尺度螺圈单元间的谐振，还增加了不同尺度螺圈单元间的谐振。不同谐振结构之间相互耦合，使得螺旋结构谐振频点增加，不同谐振频点相互汇集，表现出宽频强吸收特性。如图6所示，复合蜂窝在=1时仅在0.5 GHz和4.5 GHz有2个吸收峰；当=0.1时，在1.9、2.4、3、4.2 GHz有4个吸收峰，制造出1.7～6 GHz的低频强吸收带。在高频段，由于螺旋锥度的减小增强了螺旋结构对内部的电磁屏蔽，电磁波无法入射到螺旋结构内部，从而被吸波介质损耗，因此对高频电磁波的吸收能力减弱。

图9 螺旋锥度对螺旋超结构复合蜂窝吸波性能的影响

螺旋结构螺距还会对复合蜂窝的吸波性能产生重要影响，这里以螺旋结构螺距为变量进行仿真计算。通过调整螺距，电磁波反射率的仿真计算曲线如图10所示。当螺距由0增至2 mm时，螺旋结构由二维平面结构转变为三维立体结构。可以看出，螺旋结构螺距主要影响低频吸收峰的强度。当=0（即螺旋结构为平面结构）时，复合蜂窝对电磁波的吸收效力为吸波介质的本征吸收，螺旋结构并未参与对电磁波的吸收。随着螺旋螺距的增加，在1.5～4.5 GHz频段产生了3个吸收峰，随着螺距的增大而逐渐加深。当螺距增至2 mm后，在1.9、3、4.2 GHz处的吸收峰电磁波反射率分别为−34.6、−28.9、−29 dB。依靠这3个强吸收峰，在1.5～7 GHz频段内形成了电磁波反射率低于−10 dB的宽频吸收带。通过分析复合蜂窝电磁场可知，螺旋结构在谐振部位被激发出驻波电流，产生了强烈的电磁场。当螺旋螺距为0时，在螺旋结构上产生了谐振，但此时螺旋结构为二维平面结构，电谐振与磁谐振均被局限在复合蜂窝底部，无充足的损耗空间，无法与吸收介质协同吸收，因此螺旋结构谐振吸收峰被隐藏。随着螺旋结构螺距的增加，被束缚的谐振电场和谐振磁场在复合蜂窝的三维空间中解放，获得了充分的损耗空间，螺旋结构与吸收介质协同作用，实现了电磁波的强效吸收，表现出如图10所示的谐振峰逐步增强现象。三维螺旋结构充分利用了蜂窝结构的垂直空间，实现了复合蜂窝的低频宽带强吸收。

图10 螺旋螺距对螺旋超结构复合蜂窝吸波性能的影响

3 样品制备与测试

为了验证设计的可行性，实验制备了螺旋超结构复合蜂窝样品。蜂窝孔径=16 mm，壁厚=1 mm，总高度=13 mm，材质为聚乳酸，采用3D打印成型。螺旋超结构的材质为304不锈钢，其线径=1 mm，底面半径1=15 mm，螺距=2 mm, 螺旋圈数=6，螺旋锥度=0.1，由东莞市精密弹簧定做厂定制。将螺旋超结构按照统一角度加载于蜂窝骨架中，蜂窝板边缘孔格不完整处未加载，样品如图11a所示。CIP/PU复合吸波剂的制备过程：将CIP与PU以体积比5∶95混合制成胶液，使用高速分散机以500 r/min的速度分散30 min，将胶液分散均匀后加入固化剂，再次使用分散机以500 r/min的速度分散30 min。在胶液均匀后，使用注射器将制备好的复合吸波剂注入蜂窝中，并晾置3 h后固化。制备好的复合蜂窝样板如图11b所示。制备了180 mm×180 mm、300 mm×300 mm 2个尺寸的复合蜂窝板，分别测试6 GHz以上频段及6 GHz以下频段。

图11 三维螺旋超结构复合蜂窝样品

采用弓形法测试复合蜂窝样板的反射率，测试结果如图12所示。测试结果表明，制备的复合蜂窝样板在1.6～3.6 GHz频段和6～16.5 GHz频段内的电磁波反射率低于−10 dB，反射率在2.4 GHz时达到了最低值（−22 dB），实现了低频宽带强吸收。复合蜂窝样板测试反射率与仿真结果存在差距，分析可知，前文的仿真计算中、方向均为周期性边界条件，即仿真对象为无限大复合蜂窝阵列。实际制备的复合蜂窝样板的尺寸有限，且样板四边均有不完整蜂窝孔格，无法加载螺旋超结构。由此可见，误差主要来源于有限尺寸样品的边缘散射，样品边缘的螺旋超结构空缺，螺旋结构制备时的几何误差，以及复合吸波剂填充时引入的不可避免的空气层等因素。

将文中结果与同类型超材料吸波蜂窝吸收性能进行对比，结果如表4所示。由表4可知，文中提出的三维螺旋超结构复合蜂窝在低频宽带吸收等方面具有一定优势。

图12 实验测试结果

表4 同类超材料吸波蜂窝文献对比

4 结论

文中设计了一种基于三维螺旋超结构的复合吸波蜂窝，仿真计算结果表明，复合吸波蜂窝实现了在1.7～17 GHz频段内反射率低于−10 dB的宽带吸收，相较于未加载螺旋超结构的吸波蜂窝，加载螺旋超结构使得复合蜂窝在1～18 GHz频段内的有效吸收带宽被拓宽了273%。入射电磁波会在螺旋超结构表面激发驻波电流，产生电共振和磁共振，被损耗介质吸收。通过分析等效电路，明确了螺旋超结构的参数对吸波性能的影响，改变螺旋锥度可以增加并汇聚谐振点，以拓宽低频吸收频带，增加螺距可以构造出更大的电磁波损耗空间，增强复合蜂窝对入射电磁波的损耗。实验测试结果显示，制备的复合蜂窝样板在1.6～3.6 GHz和6～16.5 GHz频段内的电磁波反射率低于−10 dB，实现了低频宽带吸收，在飞行器制造、绿色建筑板材等领域展现出重要的应用价值。

[1] 张月芳, 郝万军, 张忠伦. 电磁辐射污染及其防护技术[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2010.

ZHANG Yue-fang, HAO Wan-jun, ZHANG Zhong-lun. Electromagnetic Radiation Pollution and Protection Technology[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2010.

[2] 姚智兵, 蒋昊, 吴婷, 等. 电磁辐射的危害及防护[J]. 中国社会医学杂志, 2007, 24(3): 177-179.

YAO Zhi-bing, JIANG Hao, WU Ting, et al. The Harm and Prevention of Electromagnetic Radiant[J]. Chinese Journal of Social Medicine, 2007, 24(3): 177-179.

[3] 单铁梅, 付丽丽, 王丽东, 等. 电离辐射对放射工作者职业健康的影响[J]. 中国辐射卫生, 2021, 30(4): 402-406.

SHAN Tie-mei, FU Li-li, WANG Li-dong, et al. Effect of Ionizing Radiation on the Occupational Health of Radiologists[J]. Chinese Journal of Radiological Health, 2021, 30(4): 402-406.

[4] YIN Peng-fei, DENG Yu, ZHANG Li-min, et al. Facile Synthesis and Microwave Absorption Investigation of Activated carbon@Fe3O4Composites in the Low Frequency Band[J]. RSC Advances, 2018, 8(41): 23048-23057.

[5] LV Hua-liang, YANG Zhi-hong, WANG P L, et al. A Voltage-Boosting Strategy Enabling a Low-Frequency, Flexible Electromagnetic Wave Absorption Device[J]. Advanced Materials, 2018, 30(15): 1706343.

[6] PANWAR R, LEE J R. Recent Advances in Thin and Broadband Layered Microwave Absorbing and Shielding Structures for Commercial and Defense Applications[J]. Functional Composites and Structures, 2019, 1(3): 032001.

[7] SMITH F C, SCARPA F. Design of Honeycomb-Like Composites for Electromagnetic and Structural Applications[J]. IEE Proceedings-Science, Measurement and Technology, 2004, 151(1): 9-15.

[8] RINALDI A, PROIETTI A, TAMBURRANO A, et al. Graphene-Coated Honeycomb for Broadband Lightweight Absorbers[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2018, 60(5): 1454-1462.

[9] LI Wang-chang, XU Liao-yuan, ZHANG Xu, et al. Investigating the Effect of Honeycomb Structure Composite on Microwave Absorption Properties[J]. Composites Communications, 2020, 19: 182-188.

[10] BI Song, SONG Yong-zhi, HOU Gen-liang, et al. Lightweight and Compression-Resistant Carbon-Based Sandwich Honeycomb Absorber with Excellent Electromagnetic Wave Absorption[J]. Nanomaterials, 2022, 12(15): 2622.

[11] KHURRAM A A, ALI N, RAKHA S A, et al. Optimization of the Carbon Coating of Honeycomb Cores for Broadband Microwave Absorption[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2014, 56(5): 1061-1066.

[12] KHURRAM A A, RAKHA S A, ALI N, et al. Microwave Absorbing Properties of Lightweight Nanocomposite/Honeycomb Sandwich Structures[J]. Journal of Nanotechnology in Engineering and Medicine, 2015, 6(1): 011006.

[13] HE Yan-fei, GONG Rong-zhou, CAO Heng, et al. Preparation and Microwave Absorption Properties of Metal Magnetic Micropowder-Coated Honeycomb Sandwich Structures[J]. Smart Materials and Structures, 2007, 16(5): 1501-1505.

[14] RHEE J Y, YOO Y J, KIM K W, et al. Metamaterial- Based Perfect Absorbers[J]. Journal of Electromagnetic Waves and Applications, 2014, 28(13): 1541-1580.

[15] ALI A, MITRA A, AÏSSA B. Metamaterials and Metasurfaces: A Review from the Perspectives of Materials, Mechanisms and Advanced Metadevices[J]. Nanomaterials, 2022, 12(6): 1027.

[16] VALIPOUR A, KARGOZARFARD M H, RAKHSHI M, et al. Metamaterials and Their Applications: An Overview[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 2022, 236(11): 2171-2210.

[17] HE Fan, SI Kai-xuan, ZHA Da-ce, et al. Broadband Microwave Absorption Properties of a Frequency-Selective Surface Embedded in a Patterned Honeycomb Absorber[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2021, 63(4): 1290-1294.

[18] ZHENG Lei, NIU Lei, WANG Tao, et al. Integrated Lightweight Gradient Honeycomb Metastructure with Microwave Absorption and Mechanical Properties: Analysis, Design, and Verification[J]. Composite Structures, 2023, 305: 116464.

[19] LI Song-ming, HUANG Hao, WU Si-bao, et al. Study on Microwave Absorption Performance Enhancement of Metamaterial/Honeycomb Sandwich Composites in the Low Frequency Band[J]. Polymers, 2022, 14(7): 1424.

[20] 殷际杰. 微波技术与天线: 电磁波导行与辐射工程[M]. 2版. 北京: 电子工业出版社, 2009: 15-18.

YIN Ji-jie. Microwave technology and antenna[M]. 2nd ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2009: 15-18.

[21] CHEN C Y, WU S C, YEN T J. Experimental Verification of Standing-Wave Plasmonic Resonances in Split-Ring Resonators[J]. Applied Physics Letters, 2008, 93(3): 034110.

[22] 王雯洁, 王甲富, 闫明宝, 等. 基于多阶等离激元谐振的超薄多频带超材料吸波体[J]. 物理学报, 2014, 63(17): 140-147.

WANG Wen-jie, WANG Jia-fu, YAN Ming-bao, et al. Ultra-Thin Multiband Metamaterial Absorber Based on Multi-Order Plasmon Resonances[J]. Acta Physica Sinica, 2014, 63(17): 140-147.

[23] GHOSH S, SRIVASTAVA K V. An Equivalent Circuit Model of FSS-Based Metamaterial Absorber Using Coupled Line Theory[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2015, 14: 511-514.

[24] PANG Yong-qiang, CHENG Hai-feng, ZHOU Yong- jiang, et al. Analysis and Design of Wire-Based Metamaterial Absorbers Using Equivalent Circuit Approach[J]. Journal of Applied Physics, 2013, 113(11): 114902.

[25] RONG Can-can, LU Cong-hui, HU Zhao-yang, et al. Analysis of Wireless Power Transfer Based on Metamaterial Using Equivalent Circuit[J]. The Journal of Engineering, 2019, 2019(16): 2032-2035.

[26] WAKATSUCHI H, PAUL J, GREEDY S, et al. Cut-Wire Metamaterial Design Based on Simplified Equivalent Circuit Models[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2012, 60(8): 3670-3678.

[27] LI Wei, WU Tian-long, WANG Wei, et al. Integrating Non-Planar Metamaterials with Magnetic Absorbing Materials to Yield Ultra-Broadband Microwave Hybrid Absorbers[J]. Applied Physics Letters, 2014, 104(2): 022903.

[28] ADEPOJU W, BHATTACHARYA I, SANYAOLU M, et al. Equivalent Circuit Modeling and Experimental Analysis of Low Frequency Metamaterial for Efficient Wireless Power Transfer[J]. IEEE Access, 2022, 10: 87962-87973.

[29] BILOTTI F, TOSCANO A, VEGNI L, et al. Equivalent-Circuit Models for the Design of Metamaterials Based on Artificial Magnetic Inclusions[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2007, 55(12): 2865-2873.

[30] GIL M, BONACHE J, MARTÍN F. Metamaterial Filters: A Review[J]. Metamaterials, 2008, 2(4): 186-197.

[31] GHOSH S, LIM S. Perforated Lightweight Broadband Metamaterial Absorber Based on 3-D Printed Honeycomb[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2018, 17(12): 2379-2383.

[32] HUANG Da-qing, KANG Fei-yu, ZHOU Zhuo-hui, et al. An 'H'-Shape Three-Dimensional Meta-Material Used in Honeycomb Structure Absorbing Material[J]. Applied Physics A, 2015, 118(3): 1099-1106.

Low-frequency Synergistic Effect of 3D Helical Metastructure/Medium and Preparation of Its Absorbing Honeycomb

YANG Haoa,XU Yi-fanb,SHI Yue-tinga, WANG Ruic,WANG Junc,LI Weic,CHEN Zhi-honga*

(a. School of Science, b. International School of Materials Science and Engineering, c. State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Thework aims to propose a design method of 3D helical metastructure composite absorbing honeycomb, in order to expand the low-frequency absorption properties of honeycomb absorbing materials. The 3D helical metastructure was loaded in the absorbing honeycomb, and the regulation effect of the helical metastructure on the absorption properties of the composite honeycomb was qualitatively analyzed by the electromagnetic field theory and the equivalent circuit theory, so as to optimize the structural parameters of the helical metastructure. The incident electromagnetic wave excited the standing wave current on the surface of the helical metastructure, produced strong electrical resonance and magnetic resonance, and generated a synergistic absorption effect with the honeycomb loss medium, which enhanced the low-frequency absorption properties of the absorbing honeycomb. The simulation and experimental results show that the low-frequency absorption properties of the absorbing honeycomb are significantly enhanced by loading the 3D helical metastructure, and the average reflection loss of the 1-6 GHz is enhanced from −3 dB to −10 dB.

honeycomb absorbing materials;metamaterials;low-frequency absorption;equivalent circuit

TB484.2

A

1001-3563(2023)23-0265-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.23.032

2023-05-09

国家自然科学基金（52071239）

责任编辑：彭颋