一种拓扑自适应电磁吸波结构及其制备方法

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料技术领域，特别涉及一种拓扑自适应电磁吸波结构及其制备方法。

背景技术

自然界存在的材料对外加电磁场的宏观响应可以认为是数以亿计的单个原子对外加电磁场电磁响应的平均值。依据人工电磁材料设计的概念，独立单元结构并不一定是原子或者分子，它们可以是任意微小的结构，结构尺寸远远小于电磁波的波长。人们通过对内部微小单元结构的设计以及有效地排列，获得具有不同电磁响应的材料，在宏观上实现对电磁波的调控。

近年来，随着人工电磁材料的发展，基于人工电磁材料的新型吸波结构受到了人们的广泛关注。目前对于人工电磁材料吸波结构的研究多倾向于单元结构特性方面的研究，通过改变单元结构的材料、尺寸和排列周期等，调控人工电磁材料的电磁特性，并在此基础上设计实现针对不同应用场景的电磁吸波结构。由于人工电磁材料吸波结构的电磁吸波性能依赖于单元结构，因此对单元结构的拓扑形态以及构成材料的电磁响应进行调控都会改变该人工电磁材料的吸波性能。

专利号为CN 111403917 A的发明专利《一种超薄的宽带超材料吸波器单元》公开了一种超薄的宽带超材料吸波器单元，通过采用加载电阻贴片元件的阻抗方环结构，在相对宽的频率范围内实现了对电磁波的吸收，同时其结构简单，易于加工制造。

专利号为CN 109193173 A的发明专利《一种基于相位可调超表面的微波段吸波器件及方法》公开了一种于相位可调超表面的微波段吸波器件及方法。通过对亚波长单元偏置电压的施加来实现电磁状态的改变，调节超表面单元结构的独立相位，进而可任意改变入射场在超表面单元结构的反射相位，具有设计简单，易于加工，应用灵活等特点。

在实际应用中，科学家不仅要考虑吸波结构的电磁吸波性能，也要关注其力学性能，使之能够广泛应用于不同场景。例如，对于面向机器人或穿戴式等的应用场景，人工电磁材料单元结构的拓扑形态往往会随着机器人或人体的动作发生动态变化，此时人工电磁材料吸波结构的延展性和电磁吸波性能将变得尤为重要。

现有技术中，人工电磁材料的延展性往往依赖于柔性材料，顾名思义就是利用柔性材料来制备人工电磁材料，满足特定工作环境的形变要求。然而，人工电磁材料的延展性受到柔性材料的力学特性(杨氏模量)限制，同时，人工电磁材料部分区域单元结构拓扑形态的变化会导致电磁吸波性能的改变。

因此，如何增强人工电磁材料的延展性，同时保持吸波结构在拓扑形态变化中的电磁吸波性能，已成为当前人工电磁材料电磁吸波结构设计领域一个亟待解决的问题。该问题的解决，对于改善现有人工电磁材料对多变电磁环境和不规则结构电磁器件的局限性，应对日益增长的多变电磁环境的需求有着重大的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种拓扑自适应电磁吸波结构，进一步提供拓扑自适应电磁吸波结构的制作方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：拓扑自适应电磁吸波结构，包括周期性排列连接的若干个超级单元，所述的超级单元由四个基本单元构成；

所述的基本单元为正方形的具有电磁吸波性能的片状叠层结构，其包括正方形的高分子介质层、氧化铟锡结构层和氧化铟锡衬底层，所述的氧化铟锡结构层局部覆盖高分子介质层的第一表面，所述的氧化铟锡衬底层完全覆盖在高分子介质层的第二表面；

所述的超级单元由四个基本单元以2乘以2的阵列排布连接形成，每个基本单元的位于同一条边上的两个顶点分别与相邻的基本单元的相邻顶点连接；

每个基本单元之间可以绕连接顶点旋转使所述的超级单元在结构水平面内展开或收拢，以使吸波结构整体在动态形变过程中，具有自适应电磁功能,，能够在特定频段范围维持优异的吸波性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：所述的氧化铟锡结构层包括第一圆环和第二圆环，所述的第一圆环和第二圆环为圆心位于所述的高分子介质层的正方形的中心的同心圆，所述的第一圆环位于所述的第二圆环外。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：所述的第一圆环设置有第一缺口，所述的第二圆环设置有第二缺口和第三缺口，所述的第一缺口的中心线和第二缺口的中心线位于沿直径方向的同一直线上，所述的第一缺口和第二缺口位于圆心的同侧，所述的第三缺口的中心线与所述的第一缺口的中心线呈90度夹角。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：所述的第一缺口、第二缺口和第三缺口均朝向所述的超级单元的外边缘。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：所述的基本单元的边长为15-20毫米，所述的第一圆环的内径为3-4毫米，外径为5-7毫米；所述的第二圆环的内径为0.5-1毫米，外径为1.5-2毫米；所述的第一缺口的宽度为1.1-1.5毫米，所述的第二缺口和第三缺口的宽度为0.3-0.9毫米。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：所述的高分子介质层为聚氯乙烯薄膜或聚对苯二甲酸乙二酯薄膜。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：所述的高分子介质层的厚度为0.7-1.2毫米，所述的高分子介质层的折射率为1.5-1.7。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：所述的氧化铟锡结构层或氧化铟锡衬底层采用磁控溅射法制备在高分子介质层上。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：所述的氧化铟锡结构层的方阻为10-20Ω/sq。

本发明另一个保护主题为：拓扑自适应电磁吸波结构的制作方法，包括如下步骤：

制备高分子介质薄膜，在制备高分子介质薄膜基材的第一表面磁溅控制备第一氧化铟锡涂层，在高分子介质薄膜基材的第二表面磁溅控制备第二氧化铟锡涂层，从而形成一多层复合的平面基体；

对第一氧化铟锡涂层进行刻蚀，使第一氧化铟锡涂层形成局部覆盖于第一表面的周期性的图案结构；

依照图案结构对平面基体进行激光刻蚀以生成断裂痕，所述的断裂痕将平面基体分割形成沿所述的超级单元为周期分布的相互连接的基本单元，所述的高分子介质薄膜分割形成所述的基本单元的高分子介质层，所述的第一氧化铟锡涂层形成所述的基本单元的氧化铟锡结构层，所述的第二氧化铟锡涂层形成所述的基本单元的氧化铟锡衬底层。

与现有技术相比，本发明的优点是每个基本单元之间可以绕连接顶点旋转使超级单元在二维平面内展开或收拢，电磁吸波结构可在每个基本单元不改变自身形态和电磁性能的前提下发生拓扑形态的变化，从而增强了材料的延展性，具有更多的自由度和灵活性，增加电磁吸波结构对电磁波调控的自由度，实现功能的连续性。

附图说明

以下将结合附图和优选实施例来对本发明进行进一步详细描述，但是本领域技术人员将领会的是，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而绘制的，并且因此不应当作为对本发明范围的限制。此外，除非特别指出，附图仅示意在概念性地表示所描述对象的组成或构造并可能包含夸张性显示，并且附图也并非一定按比例绘制。

图1为本发明实施例一中的拓扑自适应电磁吸波结构的示意图一；

图2为本发明实施例一中的拓扑自适应电磁吸波结构的示意图二；

图3为本发明实施例一中的拓扑自适应电磁吸波结构的基本单元的示意图；

图4为本发明实施例一中的拓扑自适应电磁吸波结构的超级单元的示意图一；

图5为本发明实施例一中的拓扑自适应电磁吸波结构的超级单元的示意图二；

图6为本发明实施例一中的拓扑自适应电磁吸波结构的电磁吸波性能与展开角度关系图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下结合附图所提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，本实施例提供了一种拓扑自适应电磁吸波结构100，该电磁吸波结构100是由若干个超级单元10周期性分布连接形成；而每个超级单元由四个基本单元1构成。

如图1-5所示，具体地，基本单元1为具有吸波性能的正方形的片状叠层结构。超级单元10按照水平对称和垂直对称的形式由四个基本单元1以2乘以2的阵列排布连接形成，每个基本单元1的位于同一条边上的两个顶点分别与相邻的基本单元1的相邻顶点连接。

因此，每个基本单元1之间可以绕连接顶点旋转使超级单元展开或收拢。如图4所示，超级单元完全收拢，四个基本单元形成一个正方形结构。如图5所示，在外力作用下，超级单元通过基本单元的同步旋转而展开，每个基本单元本身不发生形变，依旧保持其原有的电磁性能。

如图5所示，其中θ表示展开的角度。通过这一展开的角度，电磁吸波结构可在每个基本单元不改变自身形态和电磁性能的前提下，在吸波结构水平面内发生拓扑形态的变化，从而不仅能够增加电磁吸波结构的延展性，适应部分场景对形变的要求，而且有望实现电磁吸波功能的重构。

本实施例中，基本单元包括正方形的高分子介质层1a、氧化铟锡结构层1b和氧化铟锡衬底层，氧化铟锡结构层1b局部覆盖高分子介质层1a的第一表面，氧化铟锡衬底层完全覆盖在高分子介质层1a的第二表面。

如图3所示，作为一种优选方式，本实施例中，每个基本单元的氧化铟锡结构层为一图形单元，其包括第一圆环101和第二圆环102，第一圆环101和第二圆环102为圆心位于高分子介质层1a的正方形的中心的同心圆，第一圆环101位于第二圆环102外。

进一步地，第一圆环101设置有第一缺口11，第二圆环102设置有第二缺口12和第三缺口13，第一缺口11的中心线和第二缺口12的中心线位于沿直径方向的同一直线上，第一缺口11和第二缺口12位于圆心的同侧，第三缺口13的中心线与第一缺口11的中心线呈90度夹角。并且，第一缺口11、第二缺口12和第三缺口13均朝向超级单元10的外边缘。

如图3所示，本实施例中基本单元的正方形边长p为15-20毫米，第一圆环11的内径r

应当被理解的是，通过调节每个基本单元的尺寸及基本单元上的图形单元的各部位尺寸，可以设计出不同频段的拓扑自适应电磁吸波结构。

作为可选方案，本实施例中的高分子介质层为聚氯乙烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二酯薄膜中的其中一种，高分子介质层的厚度为0.7-1.2毫米，其折射率为1.5-1.7。优选地，高分子介质层为聚氯乙烯薄膜，其厚度为1毫米，折射率为1.6。

优选地，氧化铟锡结构层或氧化铟锡衬底层的方阻为15Ω/sq，厚度为可选为60-80纳米，本实施例中，氧化铟锡结构层和氧化铟锡衬底层的厚度为73.4纳米。

如图5所示，拓扑自适应电磁吸波结构的形变也是基于超级单元的形变，一般情况下，我们只需要考虑展开角度θ小于等于45度的情况，因为展开角度θ大于45度的情况与整个超级单元旋转90度时，展开角度θ小于等于45度的情况相同。

由于氧化铟锡作为导电薄膜，其结构层具有宽频电磁吸波特性，本实施例所提供的拓扑自适应电磁吸波结构可以在某一频率范围实现较好的吸波性能，同时可以发现在拓扑形态发生变化的过程中，依然可以在相同的频率范围保持良好吸波性能，具有较好的电磁自适应。

如图6所示，仿真结果中可以发现，当本实施例所提供的拓扑自适应电磁吸波结构的超级单元的展开角度从0度到45度动态变化时，拓扑自适应电磁吸波结构在55GHz频率附近具有良好的吸波性能，吸波效率大于90％的带宽约为10GHz。其中线条A为展开角度θ为0度的吸波曲线，线条B为展开角度θ为15度的吸波曲线，线条C为展开角度θ为30度的吸波曲线，线条D为展开角度θ为45度的吸波曲线。

更为具体地，本实施例所提供的拓扑自适应电磁吸波结构由一个多层复合的平面基体制备而成，以下对具体的制备步骤进行阐述。

首先，事先制备好高分子介质薄膜基材。然后在高分子介质薄膜基材的第一表面制备第一氧化铟锡涂层，在高分子介质薄膜基材的第二表面制备第二氧化铟锡涂层，从而形成一多层复合的平面基体。

优选地，第一氧化铟锡涂层和第二氧化铟锡涂层都采用磁控溅射法将导电氧化铟锡沉积在高分子介质薄膜。

制备过程中，首先第一氧化铟锡涂层沉积满第一表面，然后对该第一氧化铟锡涂层进行刻蚀，使第一氧化铟锡涂层形成局部覆盖于第一表面的周期性的图案结构。该图形结构由相互分离的图形单元组成，每个图形单元相对应于上述的基本单元1的氧化铟锡结构层，并且对应于上述的超级单元10周期性分布。

最后，通过利用激光刻蚀技术依照图案结构将平面基体的不同基本单元1相连处刻穿生成断裂痕，断裂痕将平面基体分割形成沿上述的超级单元为周期分布的相互连接的基本单元，使平面基体制备成具有上述形态的拓扑自适应电磁吸波结构。

由此，高分子介质薄膜被分割形成所述的基本单元的高分子介质层，第一氧化铟锡涂层形成所述的基本单元的氧化铟锡结构层，所述的第二氧化铟锡涂层形成所述的基本单元的氧化铟锡衬底层。

应当被理解的是，该制备好的拓扑自适应电磁吸波结构中，势必每层高分子介质层都与相邻的高分子介质层点连接，每个氧化铟锡衬底层都与相邻的氧化铟锡衬底层点连接。

在本实施例中氧化铟锡结构层位于正方形区域的中间，各边缘均不延伸到区域边缘，也就是说，各氧化铟锡结构层之间相互独立。当然根据图形结构的不同，氧化铟锡结构层之间可连接也可相互独立。

应当说明的是，本实施例通过断裂痕将平面基体分割，使其在吸波结构水平面内自由地发生拓扑形变。该方式利用了具有拓扑数学性质的剪纸形变技术，相关技术被广泛应用力学、电学和热学等学科领域中。本实施例中将拓扑数学性质的剪纸形变技术与人工电磁材料相结合，在柔性材料上设计出断裂痕以形成可以拓扑形变的自适应电磁吸波结构。这些刻痕可以大大提高材料的延展性，同时也增强了材料形态变化的自由度。

综上，利用剪纸形变技术所制备的拓扑自适应电磁吸波结构具有结构连续性、几何构造演化、动态调谐等优点，可改善现有人工电磁材料对多变电磁环境的局限性，可适用于机器人或穿戴式器件等拓扑结构不规则动态变化的电磁应用场景。

以上对本发明所提供的拓扑自适应电磁吸波结构及其制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助梳理本发明及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。