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            漸變折射率人工電磁介質設計與 3D 打印制造

            2016-6-23 11:37| 發布者: admin| 查看: 868| 評論: 0

            摘要:   傳統機械制造工藝過程主要針對基于力學性能進行設計的零件結構,隨著復合材料、功能材料等新興材料類型的出現,結構設計與材料選擇逐漸融為一體,出現了人工材料設計的概念,人們開始尋求一種能夠實現零件的宏/ ...
              傳統機械制造工藝過程主要針對基于力學性能進行設計的零件結構,隨著復合材料、功能材料等新興材料類型的出現,結構設計與材料選擇逐漸融為一體,出現了人工材料設計的概念,人們開始尋求一種能夠實現零件的宏/微結構一體化設計與制造的方法,3D打印技術的出現使其成為了可能。3D打印,又稱增材制造,是采用材料逐層累加方法制造實體零件的工藝方法,相對于傳統的材料去除(切削)加工技術,是一種“自下而上”的制造方法[1],其特點是由點到面到體進行成型,使其可以解決傳統制造技術無法實現的宏、微結構一體化制造問題[2]。


              光子晶體是一種由不同介電常數介質材料在空間周期性排列形成的人工電磁介質結構體[3-4]。當光子晶體的單胞尺寸遠小于(約1/10)與其作用的波長時,呈現出超材料特性,通過改變單胞結構參數,可調控其等效電磁性能,實現了人工電磁介質的可控設計[5-7]。2009年7月,美國加州大學伯克利分校的VALENTINE教授[8]及其團隊采用聚焦離子束磨蝕的方法在Si層磨蝕出直徑110  nm的孔洞,通過改變孔洞在Si層上的分布密度,來獲得所需等效折射率空間梯度,最終實現了在1 400~1 800 k Hz波段寬頻低損耗的“地毯式隱身罩”結構。同年8月,康奈爾大學的Lipson課題組,采用電子束刻蝕的方法在硅基掩模板上刻蝕出了非均勻的單晶硅柱陣列,實現了與文獻[8]類似的結構[9]。2010年4月,德國卡爾斯魯厄工業大學WEGENER教授[10]研究團隊采用激光直寫的方法,制造出了具有堆積木微觀結構的超材料,實現了在波長1.4~2.7  μm范圍內對非偏振光的隱形。

              同年6月,東南大學崔鐵軍教授團隊采用介質板(F4B-聚四氟乙烯板)打孔并進行層疊組裝的方法,構造出了一個在二維空間各向同性的“地毯式隱形”超材料結構[11]。然而,上述這些工藝所制備的超材料人工電磁介質,均為二維結構,如何實現三維超材料結構的制造成為制約其實際應用的瓶頸問題。由于上述人工電磁介質均具有微觀單元結構/空間拓撲結構/材料/外形等方面的多樣性與復雜性,需要一種以物理性能驅動的宏/微結構一體化設計與制造手段去實現,這就對制造領域的工程技術人員提出了新的挑戰。

              本文提出采用3D打印技術進行復雜結構人工電磁介質的快速制造,以物理性能驅動的宏/微結構一體化方法實現新型電磁波器件設計與制造;以光敏樹脂為原材料,采用光固化3D打印工藝,實現基于人工電磁介質的“地毯式隱形罩”[12]、電磁黑洞[13]、電磁波天線[14-16]等器件的制造;通過試驗驗證了采用3D打印技術進行人工電磁介質器件制造的可行性,為其進一步推廣應用奠定基礎。1漸變折射率人工電磁介質1.1人工電磁介質折射率可控設計光子晶體單胞結構是全介質超材料設計的基礎,例如介質柱金剛石結構光子晶體(圖1)[13],木堆結構光子晶體(圖2)[15],此類單胞具有高度結構對稱性,當晶格常數a遠小于波長,即位于超材料尺度時,其等頻面近似球形,三維各向同性,且具有寬頻特性,可作為人工電磁介質的基本單元形式。單胞結構的等效介電常數可利用等效介質理論計算(1 )(1)等效折射率可由等效介電常數和磁導率計算eff effn(2)式中,為結構基體材料的介電常數1,即空氣的介電常數,f為單胞結構中材料的占空比,effn為電磁介質單胞的等效折射率,為磁導率,本研究中采用非磁性介質,故磁導率? ?1。因此,通過改變單胞的等效介電常數即可實現其等效折射率的可控調節。由以上兩個計算公式可見,當單胞尺寸-晶格常數a不變時,通過改變單胞特征參數,如圖1所示的單胞柱半徑R,圖2所示單胞柱寬?,對單胞結構中的材料占空比f進行調控,即可實現等效介電常數eff?的在范圍1~m?內可調。單胞等效介電常數隨特征參數的變化規律如圖1和圖2中的映射曲線所示。根據電磁波器件所需的介電常數空間分布,由上述映射曲線獲得單胞結構參數,然后對具有不同特征參數的單胞結構進行拓撲設計,便能獲得具有特定電磁波傳輸性能的人工電磁介質器件結構。小、不同顏色的正方形單元代表特定的局部介電常數。為實現圖3所示的介電常數分布,根據本文第

              1.1節中所描述的人工電磁介質設計方法,采用圖1所示的介質柱金剛石結構光子晶體作為單胞結構,按照所示的結構特征參數與等效介電常數之間的對應關系,通過改變光子晶體單胞中的柱半徑,來調控單元內的等效介電常數,實現從局部等效介電常數到結構單元的映射,從而獲得了宏/微結構一體化的“地毯式隱形罩”拓撲結構設計,如圖4所示。圖 3  “地毯式隱身罩”的介電常數離散分布圖圖 4   漸變折射率“地毯式隱身罩”空間結構設計1.2.2三維電磁波吸收體——“電磁黑洞”電磁波吸收在太陽能、選頻輻射儀、傳感器、防輻射、無線能量傳輸等領域有重大的意義。2008年,LANDY等[17]第一次提出并通過試驗驗證了采用超材料可實現電磁波的完美吸收,所設計的超材料電磁波吸收體主要采用金屬諧振環作為單元結構,由于該結構具有諧振特性,在諧振峰附近電磁波快速衰減損耗,實現吸收功能。然而,正是由于其諧振特性,使得采用金屬諧振環超材料的電磁波吸收體具有工作頻帶較窄、只能吸收較單一極向和入射角度電磁波等的局限性。如何獲得具有全向、寬頻特性的電磁波吸收體,成為電磁波能量吸收裝置設計與制造的瓶頸。本文提出采用介電常數可控的人工電磁介質在微波頻段實現全向、寬帶電磁波能量吸收體—三維“電磁黑洞”的一體化設計與制造!半姶藕诙础钡睦碚撃P涂捎墒(3)表示[13, 18]? ?00rncc cr RRR r Rri r R

              (3)該方程描述了一個由介電常數徑向漸變的外殼和具有電磁損耗內核組成的系統,該系統能夠實現外部入射電磁波束的向內彎折,并最終被內核損耗介質所吸收;cR和R分別代表了內核半徑和外殼半徑;ic? ??表示吸收內核的復介電常數,為1,即空氣。根據內核-外殼界面的阻抗匹配條件,內核的半徑由方程c0 cR?R? ?確定。采用圖2所示的木堆結構三維光子晶體作為基本單元結構,所設計的“電磁黑洞”工作頻率位于Ku波段(12~18 GHz),故根據等效介質理論,木堆結構光子晶體的柱間距取為5 mm,根據方程式

              (3),可計算出cR和R分別為142.0 mm和82 mm。為了便于理論設計的工程實現,在研究中將介電常數徑向連續漸變的外殼離散為12層,取離散層的厚度為5 mm,通過改變每一介電常數離散層中木堆結構光子晶體的柱寬,實現空間等效介電常數的漸變。離散所得的12層木堆結構,從內到外等效介電常數從2.83變化到1.11,所對應的單胞結構中的柱寬從4.6mm變化到0.29  mm,最終實現了具有漸變折射率的空間拓撲結構,如圖5所示。

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