電磁/水下隱身減阻一體化超結(jié)構(gòu)增材制造及性能研究

來(lái)源：第三屆航空航天增材制造大會(huì)優(yōu)秀論文集章節(jié)內(nèi)容
作者：遲百宏 劉家鑫 陸寬 李媛媛 張祎貝
作者單位：航天科技創(chuàng)新研究院 ，

導(dǎo)讀：本文提出一種電磁隱身-水下隔聲-超疏水減阻一體化超材料結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用于跨介質(zhì)飛行器蒙皮結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)空中隱身、水下降噪、水下減阻等多種功能，并達(dá)成超材料結(jié)構(gòu)的小型化和輕量化。設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)堆疊金字塔吸波器擴(kuò)展了電磁波吸收帶寬，斜蜂窩五模材料在實(shí)現(xiàn)水下聲波的高效隔離的同時(shí)具備較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也作為電磁超材料的基板；在電磁超材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用增材制造和超聲空化技術(shù)，形成不同微納尺度的各向異性表面超疏水結(jié)構(gòu)，以減小水下阻力并實(shí)現(xiàn)流動(dòng)控制作用。該一體化超結(jié)構(gòu)材料在跨介質(zhì)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

跨介質(zhì)飛行器是可在空中飛行和水下潛航的新概念飛行器，它兼有飛行器的速度和潛航器的隱蔽性，可獲取空中、水面、水下的敵我信息，并可針對(duì)敵方防御體系弱點(diǎn)，綜合利用空中和水中手段突防，具有多任務(wù)能力。

為提升跨介質(zhì)飛行器的生存能力和打擊能力，本文研究了一種空中雷達(dá)波隱身、水下聲吶隱身，水中航行減阻的電磁/水下隱身減阻一體化超結(jié)構(gòu)，有助于增強(qiáng)飛行器在敵方多體制探測(cè)體系下的空中、水下突防概率，成為應(yīng)對(duì)水面艦船、潛艇、反潛直升機(jī)等海上傳統(tǒng)作戰(zhàn)力量的撒手锏武器。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

1.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
  為滿足雷達(dá)波隱身、水下聲吶隱身，水中航行減阻的需求，整體設(shè)計(jì)為三層結(jié)構(gòu)，頂層為旋轉(zhuǎn)堆疊金字塔吸波器，用于擴(kuò)展電磁波吸收帶寬；中部為六邊形斜蜂窩五模隔聲材料，實(shí)現(xiàn)水下聲波的高效隔離，同時(shí)具備較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可以作為電磁超材料的承載基底；底層為不同微納尺度的各向異性表面超疏水結(jié)構(gòu)，用于減小水下阻力，同時(shí)降低水流噪聲。整體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

1.2旋轉(zhuǎn)堆疊金字塔結(jié)構(gòu)與仿真分析
在諧振型寬帶吸波器的設(shè)計(jì)與研究中，金屬-介質(zhì)堆疊結(jié)構(gòu)一直是一種比較熱門(mén)的設(shè)計(jì)思路。其主要利用了窄帶吸收峰的連續(xù)疊加，形成寬帶吸收的設(shè)計(jì)理念，所以金屬層數(shù)的增加是擴(kuò)展吸收帶寬的關(guān)鍵。該方法常應(yīng)用于金字塔和圓臺(tái)等錐形結(jié)構(gòu)。但限于錐形結(jié)構(gòu)本身的高度，吸波器的帶寬難以進(jìn)一步增大。不少研究人員也提出了諸如非線性金字塔結(jié)構(gòu)、多種金字塔結(jié)構(gòu)以及多種介質(zhì)材料堆疊結(jié)構(gòu)等方式提高吸收帶寬。然而這些結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出尺寸隨性能提高而增加的缺陷。

本文提出了一種有效提高金字塔吸波器的吸收帶寬的新方法。通過(guò)將常規(guī)金字塔結(jié)構(gòu)沿中心軸逐層旋轉(zhuǎn)，即為每層金屬貼片引入一定的旋轉(zhuǎn)角度，能有效擴(kuò)大該結(jié)構(gòu)的高頻吸收帶寬。圖2為根據(jù)逐層旋轉(zhuǎn)方法設(shè)計(jì)出來(lái)的扭曲金字塔超材料吸波器。圖2a表示的是由多層金屬-介質(zhì)層構(gòu)成的傳統(tǒng)金字塔吸波器，其中每層金屬貼片的厚度為w1、貼片之間的介質(zhì)層厚度為w2。金屬貼片以側(cè)邊傾角α沿垂直方向逐層排列。圖2c為我們提出的扭曲金字塔吸波器的吸波單元。圖中的吸波單元以圖2a所示的傳統(tǒng)金字塔吸波器結(jié)構(gòu)單元為基礎(chǔ)，為每層金屬貼片繞中心軸引入了旋轉(zhuǎn)角度β/20，總旋轉(zhuǎn)角度為β。

圖2 金字塔吸波器的結(jié)構(gòu)單元示意圖

（a）傳統(tǒng)金字塔吸波器（對(duì)照組）；（b）傳統(tǒng)金字塔吸波器吸波單元的側(cè)視圖；（c）扭曲金字塔吸波器；（d）扭曲金字塔吸波器吸波單元的俯視圖

如圖3a所示，本文設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)堆疊金字塔吸波器作為電磁隱身結(jié)構(gòu)，相比于對(duì)照組的傳統(tǒng)金字塔結(jié)構(gòu)，具有更高的吸收率，且能夠在基礎(chǔ)吸收帶寬外的高頻區(qū)域額外具有一段超寬帶吸收效果，并保持吸收率在90%以上。

如圖3b所示，扭曲金字塔結(jié)構(gòu)的三階諧振頻率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)金字塔結(jié)構(gòu)的諧振頻率，使得扭曲金字塔結(jié)構(gòu)的三階磁共振模式能夠在高頻寬帶范圍內(nèi)與基礎(chǔ)磁共振模式產(chǎn)生耦合，并實(shí)現(xiàn)額外的寬帶吸收。

圖3  電子結(jié)構(gòu)層仿真結(jié)果

（a)傳統(tǒng)和扭曲金字塔的吸收率；（b)諧振層表面的能量損耗分布

1.3斜蜂窩隔聲結(jié)構(gòu)與仿真分析
與使用由局部共振或布拉格散射產(chǎn)生隔聲效果的帶隙材料相比，通過(guò)阻抗失配對(duì)水聲進(jìn)行絕緣具有寬帶有效性的優(yōu)勢(shì)。各向同性固體在法向入射條件下的聲阻抗是質(zhì)量密度與縱波速度的乘積，其聲阻抗基本為定值不發(fā)生變化。而經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的各向異性固體在特定方向上的聲阻抗非常小，傾斜蜂窩可以激發(fā)準(zhǔn)橫波和準(zhǔn)縱波來(lái)調(diào)整波速，從而形成聲阻抗失配進(jìn)而達(dá)成隔聲的效果。各類(lèi)蜂窩的隔聲效果如圖4所示。

圖4  各類(lèi)型蜂窩隔聲效果示意圖

本文設(shè)計(jì)的各向異性斜蜂窩結(jié)構(gòu)如圖5a所示，其具體的參數(shù)為：圖片。整體結(jié)構(gòu)具有極小阻抗，應(yīng)用于250Hz-3500Hz范圍內(nèi)低頻水聲的隔離，經(jīng)過(guò)仿真分析，其平均傳聲損失是43dB。

圖5  a)斜蜂窩具體結(jié)構(gòu);b)斜蜂窩隔聲結(jié)構(gòu)仿真分析結(jié)果

1.4微納超疏水結(jié)構(gòu)
賦予材料表面低表面能（化學(xué)成分） 和合適的微納粗糙結(jié)構(gòu)（形貌控制） 后，構(gòu)建的超疏水界面會(huì)表現(xiàn)出超低表面能、界面致密的氣體層和極小的固液接觸面積，進(jìn)而展現(xiàn)出高度憎水性（排斥作用）或超低水滴粘附性（結(jié)合力）。底層結(jié)構(gòu)為仿水稻葉的超疏水結(jié)構(gòu)。水稻葉呈現(xiàn)各向異性，水滴傾向于沿平行葉脈方向滾動(dòng)。本文設(shè)計(jì)的超疏水結(jié)構(gòu)分為兩級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖6b所示，第一級(jí)為周期性排列的微米尺度的棱槽結(jié)構(gòu)，第二級(jí)為大量納米級(jí)二氧化硅顆粒。

圖6  二級(jí)微納超疏水結(jié)構(gòu)

2 超結(jié)構(gòu)制備
針對(duì)實(shí)現(xiàn)空中電磁隱身的旋轉(zhuǎn)堆疊金字塔結(jié)構(gòu)，本文采用一體化制備工藝，選擇增材制造技術(shù)中微滴噴射成形(MJM)技術(shù)制備多層超材料吸波體。如圖7所示，以紫外光(395nm)固化樹(shù)脂基材和紅外光(815nm)固化納米級(jí)導(dǎo)電銀漿為原材料，采用非接觸式噴墨沉積技術(shù)，實(shí)現(xiàn)兩種材料同步混合打印。

圖7  雙噴頭非接觸式噴墨沉積原理

針對(duì)實(shí)現(xiàn)水下隔聲的斜蜂窩隔聲結(jié)構(gòu)，本文使用金屬增材制造制作斜蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

針對(duì)實(shí)現(xiàn)水下減阻的超疏水結(jié)構(gòu)，本文使用增材制造和超聲空化制備仿水稻葉表面的多級(jí)粗糙微納級(jí)結(jié)構(gòu)。在增材制造的微米量級(jí)的流向結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用超聲空化原理投射大量納米級(jí)二氧化硅顆粒，刻蝕并錨定在流向結(jié)構(gòu)表面上，實(shí)現(xiàn)各向異性的流體浸潤(rùn)性，達(dá)成高效減阻的目的。

圖8  （a）一體化超結(jié)構(gòu)；（b）旋轉(zhuǎn)堆疊金字塔結(jié)構(gòu)；（c）斜蜂窩隔聲結(jié)構(gòu)；（d）微納超疏水結(jié)構(gòu)

3測(cè)試及分析
本文對(duì)實(shí)現(xiàn)電磁隱身的旋轉(zhuǎn)堆疊金字塔結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行了反射率測(cè)試。圖9a表示的是在微波暗室中對(duì)樣品的實(shí)測(cè)環(huán)境，圖9b表示的是TE極化波在不同入射角度下的吸收率測(cè)試結(jié)果，在2-22GHz范圍內(nèi)，當(dāng)入射角度在0到45°時(shí)，整個(gè)工作帶寬的吸收率保持在70%以上。圖9c為T(mén)M極化波的吸收曲線，在2-22GHz范圍內(nèi)，當(dāng)入射角度在0到60°之間，整個(gè)吸波器的工作帶寬始終保持著穩(wěn)定的寬帶吸收。此外，相比于基礎(chǔ)共振模式激發(fā)的寬帶吸收，由三階共振模式激發(fā)的高頻寬帶吸收對(duì)TE極化波和TM極化波都表現(xiàn)出更好的入射角不敏感特性。

圖9 （a）吸波器結(jié)構(gòu)層測(cè)試；（b）TE模式下的實(shí)測(cè)吸收率；（c）TM模式下的實(shí)測(cè)吸收率

對(duì)用于隔聲的高度各向異性斜蜂窩微結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行了水下隔聲的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)量結(jié)果顯示，在低頻范圍250-1600 Hz的入射水聲中，隔聲量均大于20dB，平均隔聲量為37dB，與仿真結(jié)果基本一致。

圖6 （a）隔聲結(jié)構(gòu)層測(cè)試；（b）隔聲結(jié)構(gòu)層試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)仿水稻葉表面的各向異性超疏水結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表面濕潤(rùn)性測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)得樣品構(gòu)筑的表面具有優(yōu)異的疏水特性和各向異性，接觸角最高達(dá)145°。

圖3 結(jié)構(gòu)表面濕潤(rùn)性

4 結(jié)束語(yǔ)
本文創(chuàng)新地提出一種適用于跨介質(zhì)飛行器空中電磁隱身-水下隔聲-超疏水減阻一體化的超材料結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)空中電磁隱身、水下聲波隱身以及航行減阻功能。在該結(jié)構(gòu)中，隔聲五模材料既能有效調(diào)控水下聲波，還是主要的承載結(jié)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)堆疊金字塔吸波器主要作用在于降低空中雷達(dá)的可探測(cè)性；各向異性微納粗糙表面能有效增加水與表面的接觸角，實(shí)現(xiàn)超疏水減阻和流動(dòng)控制功能。通過(guò)增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)各功能層的制造，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，獲得整體性能如下：

（1）電磁隱身：整體實(shí)現(xiàn)了寬頻段（2-22GHz）、大入射角域雷達(dá)波穩(wěn)定吸收，其中在TE模式下，45°入射角以下雷達(dá)波穩(wěn)定吸收率保持在70%以上；在TM模式下，60°入射角以下雷達(dá)波穩(wěn)定吸收率保持在80%以上；

（2）水下隔聲：人工設(shè)計(jì)各向異性斜蜂窩隔聲-承載一體化結(jié)構(gòu)，在低頻范圍200-1600 Hz 隔聲量均大于20dB；

（3）減阻超疏水：仿水稻葉各向異性微納超疏水結(jié)構(gòu)，接觸角大于145°。