基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体及其制备方法

1.本发明属于电磁吸波体领域，具体涉及一种基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体及其制备方法。


背景技术：

2.目前，随着电磁环境的日益复杂化，电磁吸波体在隐身技术、电磁防护等方面有着蓬勃的需求，可重点应用于飞机、雷达、集成电路以及可穿戴设备等领域。而电磁吸波体的发展过程中，由于基于刚性结构的吸波体一旦被制造，就很难对其吸波性能进行实时调谐。因此使这类电磁吸波器在应用实践中受到了一定的限制，无法起到最理想的电磁防护效果，特别是应用于雷达等信号发射系统时效果较差。同时，在实际工程应用中，刚性曲面载体在进行电磁防护时，需要吸波材料具有良好的柔性，满足共形的需求，因此电磁吸波器的可重构技术被广泛关注。
3.目前，针对电磁吸波器的可重构技术，主要包括三个研究方向：1.改变吸波系统的集总原件特性；该方式主要通过改变半导体器件(如pin管、变容二极管等)的参数进行调谐。但是，这类复杂的有源吸波体不仅需要复杂合理的馈电网络提供器件工作的激励，而且一般为刚性平板结构，无法满足实际设备应用的共形需求。2.改变吸波体的电磁参数；该方式主要通过外部激励对吸波体内部材料电磁参数进行调控从而实现动态调谐的功能。但这种方式在大多数情况下同样无法满足现代工程中曲面共形的要求。3.改变材料的机械结构参数；该方式宏观上通过改变干涉路径来实现吸波体可重构，比如通过机械拉伸或者挤压等手段进行可重构。这种方式相比于前两种方式，吸波体结构简单，调节吸波峰值较为方便。但目前多使用氧化铟锡等导电材料，其拉伸性能较差，无法满足大尺度拉伸需求。因此，在此基础上，研究人员纷纷开始致力于新型吸波材料的探求和改进。
4.近年来出现的电磁超材料是由人工原子或分子(即人工设计的微结构)周期性排列组成的电磁媒质。在加工设计中，通过不断优化和改进微结构，可以使超材料在宏观上表现出不同的奇异电磁现象。尤其是在电磁吸波领域，相比于传统吸波材料，电磁超材料表现出轻质、耗材小以及吸波性能优越等特性，在空间研究、广播卫星、固定通讯业务卫星以及雷达等方面具有重要用途。
5.因此，如何设计出结构简化、柔性可重构、吸波性能可调谐且具有优良的阻抗匹配特性的宽频超材料吸波体，是本领域一个非常重要的研究方向。


技术实现要素：

6.本发明实施例的目的在于提供一种基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体及其制备方法，以实现提供结构简化、柔性可重构、吸波性能可调谐且具有优良的阻抗匹配特性的宽频超材料吸波体的目的。具体技术方案如下：
7.第一方面，本发明实施例提供了一种基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体，由上至下包括：
8.第一吸波层、第二吸波层和金属纳米线背板；
9.其中，所述第一吸波层包括第一高分子弹性体介质层和包裹在所述第一高分子弹性体介质层内的第一金属纳米线气凝胶微结构阵列；所述第二吸波层包括第二高分子弹性体介质层和包裹在所述第二高分子弹性体介质层内的第二金属纳米线气凝胶微结构阵列；所述第一金属纳米线气凝胶微结构阵列包括等间距周期性排列的多个第一金属纳米线气凝胶微结构；所述第二金属纳米线气凝胶微结构阵列包括等间距周期性排列的多个第二金属纳米线气凝胶微结构；所述金属纳米线背板由高分子弹性体薄膜表面涂布金属纳米线分散液得到。
10.在本发明的一个实施例中，所述第一高分子弹性体介质层、所述第二高分子弹性体介质层和所述高分子弹性体薄膜中的高分子弹性体，包括：
11.聚二甲基硅氧烷pdms、脂肪族芳香族无规共聚酯ecoflex、水性聚氨酯wpu、热塑性聚氨脂橡胶tpu和天然橡胶nr。
12.在本发明的一个实施例中，所述第一金属纳米线气凝胶微结构、所述第二金属纳米线气凝胶微结构和所述金属纳米线分散液中的金属纳米线，包括：
13.金纳米线、银纳米线和铜纳米线。
14.在本发明的一个实施例中，所述第一金属纳米线气凝胶微结构和所述第二金属纳米线气凝胶微结构为金属纳米线气凝胶的图形化结构。
15.在本发明的一个实施例中，所述图形化结构包括回字形结构、开口谐振环形结构和十字形结构。
16.在本发明的一个实施例中，针对所述回字形结构：
17.每个第一金属纳米线气凝胶微结构的电导率为0.1～10s/m；其中回字形结构的外层正方形边长为12～16mm；内层正方形边长为6～10mm；回字形结构的厚度为1.6～2.0mm；所述第一高分子弹性体介质层的长度为13～23mm；所述第一高分子弹性体介质层的宽度为13～23mm；所述第一高分子弹性体介质层的厚度为1.5～2mm；
18.每个第二金属纳米线气凝胶微结构的电导率为0.1～10s/m；其中回字形结构的外层正方形边长为6～10mm；内层正方形边长为1～5mm；回字形结构的厚度为1.6～2.0mm；所述第二高分子弹性体介质层的长度为13～23mm；所述第二高分子弹性体介质层的宽度为13～23mm；所述第二高分子弹性体介质层的厚度为1.5～2mm。
19.在本发明的一个实施例中，针对所述开口谐振环形结构：
20.每个第一金属纳米线气凝胶微结构的电导率为0.1～10s/m；其中开口谐振环形结构的外圆半径为6～8mm；内圆半径为3～5mm；开口矩形长为6～10mm；开口矩形宽为2～6mm；圆心到开口矩形较远边长的垂直距离为5～8mm；开口谐振环形结构的厚度为1.3～1.5mm；所述第一高分子弹性体介质层的长度为13～23mm；所述第一高分子弹性体介质层的宽度为13～23mm；所述第一高分子弹性体介质层的厚度为1.5～2mm；
21.每个第二金属纳米线气凝胶微结构的电导率为0.1～10s/m；其中开口谐振环形结构的外圆半径为3～5mm；内圆半径为0.5～2.5mm；开口矩形长为2～6mm，开口矩形宽为2～6mm，圆心到开口矩形较远边长的垂直距离为3～6mm；开口谐振环形结构的厚度为1.3～1.5mm；所述第二高分子弹性体介质层的长度为13～23mm；所述第二高分子弹性体介质层的宽度为13～23mm；所述第二高分子弹性体介质层的厚度为1.5～2mm。
22.在本发明的一个实施例中，所述金属纳米线背板的电导率为10000～20000s/m；厚度为0.1～0.3mm；涂布的金属纳米线分散液的浓度范围为45mg/ml～60mg/ml。
23.在本发明的一个实施例中，所述基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的应用频段包括：
24.x波段和ku波段。
25.第二方面，本发明实施例提供了一种基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的制备方法，所述方法包括：
26.步骤1，针对目标波段，在预设浓度范围内以预设采样间隔获取不同浓度的金属纳米线分散液所铸造的气凝胶材料的电磁参数，确定各电磁参数范围；其中，所述电磁参数包括电导率和介电常数；
27.步骤2，对基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体进行仿真建模，其结构由上至下包括：第一吸波层、第二吸波层和高分子弹性体薄膜；所述第一吸波层包括第一高分子弹性体介质层和包裹在所述第一高分子弹性体介质层内的第一金属纳米线气凝胶微结构阵列；所述第二吸波层包括第二高分子弹性体介质层和包裹在所述第二高分子弹性体介质层内的第二金属纳米线气凝胶微结构阵列；所述第一金属纳米线气凝胶微结构阵列包括等间距周期性排列的多个第一金属纳米线气凝胶微结构；所述第二金属纳米线气凝胶微结构阵列包括等间距周期性排列的多个第二金属纳米线气凝胶微结构；并对仿真建模得到的所述基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体进行几何参数扫描和优化，得到模型初始几何参数；
28.步骤3，在所述模型初始几何参数基础上，基于对应的电磁参数范围，对所述基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体进行电学参数扫描，确定各电磁参数的优选值；
29.步骤4，根据所述模型初始几何参数和所述各电磁参数的优选值，采用冷冻干燥的工艺制备对应的图形化金属纳米线气凝胶，得到所述第一金属纳米线气凝胶微结构；利用等间距周期性排列的多个第一金属纳米线气凝胶微结构形成所述第一金属纳米线微结构阵列，将所述第一金属纳米线微结构阵列四周包裹所述第一高分子弹性体介质层形成所述第一吸波层；
30.步骤5，调整工艺参数，重复步骤4形成所述第二吸波层；
31.步骤6，在固化的所述高分子弹性体薄膜上悬涂预设浓度的金属纳米线分散液，加热烘干形成金属纳米线背板；
32.步骤7，将制备得到的所述第一吸波层、所述第二吸波层和所述金属纳米线背板自上而下依次贴合，组成所述基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体。
33.本发明的有益效果：
34.本发明实施例利用高分子弹性体复合的气凝胶高弹性体优异的形变能力，设计了一种基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体，通过机械拉伸简便实现可重构吸波体。该吸波体三层导电功能层均采用金属纳米线制备，具有优异的可拉伸性能，能够使得该吸波体整体可保持大尺度拉伸，能够最大程度保证机械形变的稳定性，使吸波器具有稳定可重构性能。
35.并且，本发明实施例利用气凝胶多孔结构制备超材料结构单元。由于采用金属纳米线多孔气凝胶，当电磁波入射该气凝胶表面时，会与该气凝胶表面空隙形成较好的阻抗
匹配，能够极大程度增强电磁波入射进入超材料内部的几率。同时该气凝胶也作为电磁波吸收剂，使得电磁波在通过该气凝胶内部时，其内部丰富的胞壁表面cws可以对电磁波进行多次反射损耗，从而大大增强材料的吸波性能。此外，该气凝胶内部丰富的孔隙也为高分子弹性体灌装提供了空间，能够形成多相复合材料。
36.另外，本发明实施例采用高分子弹性体对金属纳米线气凝胶进行封装，能够极大减少环境中特定等化学物质的侵蚀，有效防止金属纳米线发生不良化学反应，能够大幅度提升金属纳米线气凝胶的导电网络的稳定性。同时，由于金属纳米线气凝胶内部微孔结构浸润在高分子弹性体中，也能够增强气凝胶结构的稳定性，提升其拉伸性能。此外，采用高分子弹性体能够赋予吸波体弹性形变能力，使该吸波体具有良好的共形能力，可以简单方便地贴附于需要电磁防护的设备表面；同时在形变过程中，本发明实施例的吸波器机械稳定度高、柔性好，可任意弯折、扭曲甚至拉伸，能够针对不同电磁波吸收防护要求以及在较宽频段实现重复使用的需求。
附图说明
37.图1为本发明实施例所提供的一种基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的侧视结构示意图；
38.图2为本发明实施例回字形结构的金属纳米线气凝胶微结构的平面示意图；
39.图3为本发明实施例以回字形结构的一组金属纳米线气凝胶微结构示例的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的爆炸图；
40.图4为本发明实施例以回字形结构的一组金属纳米线气凝胶微结构示例的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的俯视图；
41.图5为本发明实施例以回字形结构的金属纳米线气凝胶微结构阵列示例的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的俯视图；
42.图6为本发明实施例开口谐振环形结构的金属纳米线气凝胶微结构的平面示意图；
43.图7为本发明实施例的一组开口谐振环形结构的金属纳米线气凝胶微结构的俯视图；
44.图8为具有图形化结构的传统超材料吸波体与本发明实施例基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的吸收效率对比图；
45.图9为银纳米线气凝胶的sem图(电子扫描显像图)；
46.图10为本发明实施例采用有限元法计算得到的基于回字形结构的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的频率可重构的吸收效率图；
47.图11为本发明实施例采用有限元法计算得到的基于开口谐振环结构的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的频率可重构的吸收效率图。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
49.为了便于理解本发明实施例的方案，首先对本发明实施例的发明构思进行简单介绍。
50.目前，以气凝胶为代表的新型多孔材料在电磁吸波领域开始崭露头角。这种低维材料制备的新型吸波体具有独特的三维网络结构以及高比表面积、低密度等优点，可在低填充量的条件下实现高效导电网络的构筑，进而赋予材料较强的电磁波衰减能力。并且多孔材料其丰富的孔道结构为不仅为电磁参数调控和阻抗匹配优化奠定了重要结构基础，而且也为材料回填高分子弹性体，提升其拉伸和压缩性能提供可能。因此，本发明考虑利用气凝胶结构弹性体制备可重构超材料。这样不仅能够从宏观调控吸波性能，而且还能够在赋予材料弹性的基础上，对材料阻抗匹配特性进行优化，增强吸波性能。
51.经过深入研究，为了实现设计出结构简化、柔性可重构、吸波性能可调谐且具有优良的阻抗匹配特性的宽频超材料吸波体的目的，本发明实施例提供了一种基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体及其制备方法。
52.下面，首先对本发明实施例所提供的一种基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体进行介绍。如图1所示，图1为本发明实施例所提供的一种基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的侧视结构示意图。本发明实施例所提供的一种基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体，由上至下包括：
53.第一吸波层、第二吸波层和金属纳米线背板；
54.其中，所述第一吸波层包括第一高分子弹性体介质层和包裹在所述第一高分子弹性体介质层内的第一金属纳米线气凝胶微结构阵列；所述第二吸波层包括第二高分子弹性体介质层和包裹在所述第二高分子弹性体介质层内的第二金属纳米线气凝胶微结构阵列；所述第一金属纳米线气凝胶微结构阵列包括等间距周期性排列的多个第一金属纳米线气凝胶微结构；所述第二金属纳米线气凝胶微结构阵列包括等间距周期性排列的多个第二金属纳米线气凝胶微结构；所述金属纳米线背板由高分子弹性体薄膜表面涂布金属纳米线分散液得到。
55.在图1中，110表示第一吸波层；120表示第二吸波层；130表示金属纳米线背板；1101表示第一高分子弹性体介质层；1102表示第一金属纳米线气凝胶微结构；1201表示第二高分子弹性体介质层；1202表示第二金属纳米线气凝胶微结构。
56.其中，所述第一吸波层、所述第二吸波层和所述金属纳米线背板从上至下依次贴合形成所述基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体。为了便于制备以及便于调谐，所述第一高分子弹性体介质层、所述第二高分子弹性体介质层和所述高分子弹性体薄膜采用相同的高分子弹性体；所述第一金属纳米线气凝胶微结构、所述第二金属纳米线气凝胶微结构和所述金属纳米线分散液采用相同金属制备得到的金属纳米线，高分子弹性体和金属纳米线可以根据具体需要进行合理选择。
57.可选的一种实施方式中，所述第一高分子弹性体介质层、所述第二高分子弹性体介质层和所述高分子弹性体薄膜中的高分子弹性体，包括：
58.聚二甲基硅氧烷pdms、脂肪族芳香族无规共聚酯ecoflex、水性聚氨酯wpu、热塑性聚氨脂橡胶tpu和天然橡胶(natural rubber,nr)。
59.可以理解的是，本发明实施例中的高分子弹性体能够赋予吸波体形变的能力，保
证吸波体具有良好共形能力，使得吸波体可以简单方便地贴附于需要电磁防护的设备表面；同时在形变过程中，由于可任意弯折、扭曲甚至拉伸，能够保证吸波体具有较高的机械稳定度和较好的柔性。同时，本发明实施例采用高分子弹性体对吸波体中金属纳米线气凝胶进行封装，能够极大地减少环境中硫化氢h2s、羰基硫化物ocs、硝酸hno3以及水氧等化学物质的侵蚀，有效防止金属纳米线被硫化等出现不良化学反应，能够大幅度提升金属纳米线气凝胶的导电网络的稳定性。并且由于金属纳米线气凝胶内部微孔结构浸润在高分子弹性体中，也能够增强气凝胶结构的稳定性，提升拉伸性能。
60.可选的一种实施方式中，所述第一金属纳米线气凝胶微结构、所述第二金属纳米线气凝胶微结构和所述金属纳米线分散液中的金属纳米线，包括：
61.金纳米线、银纳米线和铜纳米线。
62.关于金属纳米线的制备和获取过程属于现有技术，在此不做详细说明。
63.本发明实施例中，第一吸波层、第二吸波层和金属纳米线背板形成了三层导电功能层，均采用金属纳米线制备，均具有优异的可拉伸性能，使得吸波体整体可以保持大尺度拉伸。这样能够最大程度保证吸波体机械形变的稳定性，从而使得吸波器具有稳定的可重构性能。
64.同时，由于采用金属纳米线气凝胶这种多孔材料，这样当电磁波入射金属纳米线气凝胶表面时，会与其表面空隙形成较好的阻抗匹配，极大程度地增强电磁波入射进入材料内部的几率。同时，金属纳米线气凝胶也作为电磁波吸收剂，这样电磁波在通过金属纳米线气凝胶内部时，其内部丰富的胞壁表面cws可以对电磁波进行多次反射损耗，从而大大增强材料的吸波性能。此外，金属纳米线气凝胶内部丰富的孔隙也为高分子弹性体灌装提供了空间，可以形成多相复合材料。
65.本发明实施例中，所述第一金属纳米线气凝胶微结构和所述第二金属纳米线气凝胶微结构为金属纳米线气凝胶的图形化结构。本发明实施例通过对气凝胶多孔结构进行图形化处理形成超材料，填补了高损耗电磁波吸波剂的发明与研究中的一例空白。本发明实施例可以根据需要设计内部具有空隙或者边缘具有空隙的各种图形化结构。
66.比如，可选的一种实施方式中，所述图形化结构可以包括回字形结构、开口谐振环形结构和十字形结构等。可以理解的是，回字形结构、开口谐振环形结构和十字形结构是指所述图形化结构的平面形态，实际上所述图形化结构具有一定的厚度，在图1的侧视图中，仅以矩形作为所述图形化结构的侧视图示例，但并不作为对其结构形态的限制。当然，本发明实施例的图形化结构不限于以上所述的三种形式。
67.需要说明的是，由于第一高分子弹性体介质层和第二高分子弹性体介质层的存在，第一金属纳米线气凝胶微结构的下表面和第二金属纳米线气凝胶微结构的上表面并不直接接触。
68.本发明实施例利用高分子弹性体复合的气凝胶高弹性体优异的形变能力，设计了一种基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体，通过机械拉伸简便实现可重构吸波体。该吸波体三层导电功能层均采用金属纳米线制备，具有优异的可拉伸性能，能够使得该吸波体整体可保持大尺度拉伸，能够最大程度保证机械形变的稳定性，使吸波器具有稳定可重构性能。
69.并且，本发明实施例利用气凝胶多孔结构制备超材料结构单元。由于采用金属纳
米线多孔气凝胶，当电磁波入射该气凝胶表面时，会与该气凝胶表面空隙形成较好的阻抗匹配，能够极大程度增强电磁波入射进入超材料内部的几率。同时该气凝胶也作为电磁波吸收剂，使得电磁波在通过该气凝胶内部时，其内部丰富的胞壁表面cws可以对电磁波进行多次反射损耗，从而大大增强材料的吸波性能。此外，该气凝胶内部丰富的孔隙也为高分子弹性体灌装提供了空间，能够形成多相复合材料。
70.另外，本发明实施例采用高分子弹性体对金属纳米线气凝胶进行封装，能够极大减少环境中特定等化学物质的侵蚀，有效防止金属纳米线发生不良化学反应，能够大幅度提升金属纳米线气凝胶的导电网络的稳定性。同时，由于金属纳米线气凝胶内部微孔结构浸润在高分子弹性体中，也能够增强气凝胶结构的稳定性，提升其拉伸性能。此外，采用高分子弹性体能够赋予吸波体弹性形变能力，使该吸波体具有良好的共形能力，可以简单方便地贴附于需要电磁防护的设备表面；同时在形变过程中，本发明实施例的吸波器机械稳定度高、柔性好，可任意弯折、扭曲甚至拉伸，能够针对不同电磁波吸收防护要求以及在较宽频段实现重复使用的需求。
71.以下结合两种不同的图形化结构，分别对本发明实施例中基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的参数范围进行说明，以下可选的参数数值利用大量不同浓度的金属纳米线分散液对应铸造的气凝胶测试样本数据，通过仿真建模参数优化得到的，具体内容请见第二方面的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的制备方法中相关内容。
72.(一)回字形结构
73.回字形结构的第一金属纳米线气凝胶微结构或第二金属纳米线气凝胶微结构的平面结构图请参见图2，图2为本发明实施例回字形结构的金属纳米线气凝胶微结构的平面示意图。该回字形结构为内外边长不同的两个正方形组成的环状结构，在作为第一金属纳米线气凝胶微结构或第二金属纳米线气凝胶微结构时具有一定的厚度，且该回字形结构中的中空区域填充有高分子弹性体介质。
74.图3为本发明实施例以回字形结构的一组金属纳米线气凝胶微结构示例的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的爆炸图。图4为本发明实施例以回字形结构的一组金属纳米线气凝胶微结构示例的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的俯视图。图5为本发明实施例以回字形结构的金属纳米线气凝胶微结构阵列示例的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的俯视图。可以理解的是，图4和图5中的嵌套回字形是第一金属纳米线气凝胶微结构和第二金属纳米线气凝胶微结构的俯视重叠效果。
75.可选的实施方式中，针对所述回字形结构：
76.每个第一金属纳米线气凝胶微结构的电导率σ1为0.1～10s/m；其中回字形结构的外层正方形边长a1为12～16mm；内层正方形边长a2为6～10mm；回字形结构的厚度d1为1.6～2.0mm；所述第一高分子弹性体介质层的长度l1为13～23mm；所述第一高分子弹性体介质层的宽度w1为13～23mm；所述第一高分子弹性体介质层的厚度h1为1.5～2mm；
77.每个第二金属纳米线气凝胶微结构的电导率σ2为0.1～10s/m；其中回字形结构的外层正方形边长b1为6～10mm；内层正方形边长b2为1～5mm；回字形结构的厚度d2为1.6～2.0mm；所述第二高分子弹性体介质层的长度l2为13～23mm；所述第二高分子弹性体介质层的宽度w2为13～23mm；所述第二高分子弹性体介质层的厚度h2为1.5～2mm。
78.所述回字形结构的间隔参数x1、y1、x2、y2的范围相等，均为5-8mm，其中各间隔参数
定义为：x1＝(l
1-a1)/2；y1＝(w
1-a1)/2；x2＝(l
2-a2)/2；y2＝(w
2-a2)/2，为了简化，上述间隔参数不再进行图示说明，请结合图3和图4理解。
79.优选的实施方式中，σ1＝σ2＝2s/m；σ3＝10000s/m；a1＝15mm；a2＝9mm；d1＝1.95mm；l1＝l2＝18mm；w1＝w2＝18mm；h1＝h2＝2mm；b1＝9mm；b2＝3.75mm；d2＝1.95mm；d3＝0.1mm；间隔参数x1＝y1＝x2＝y2＝6mm。
80.(二)开口谐振环形结构
81.开口谐振环形结构的第一金属纳米线气凝胶微结构或第二金属纳米线气凝胶微结构的平面结构图请参见图6，图6为本发明实施例开口谐振环形结构的金属纳米线气凝胶微结构的平面示意图。该开口谐振环形结构为内外半径不同的两个同心圆形组成的开口环状结构，两个圆形开口方向一致，开口形状为矩形。开口谐振环形结构在作为第一金属纳米线气凝胶微结构或第二金属纳米线气凝胶微结构时具有一定的厚度，且该开口谐振环形结构中的中空区域填充有高分子弹性体介质。
82.图7为本发明实施例的一组开口谐振环形结构的金属纳米线气凝胶微结构的俯视图。可以理解的是，图7中的嵌套开口谐振环形结构是第一金属纳米线气凝胶微结构和第二金属纳米线气凝胶微结构的俯视重叠效果。
83.可选的一种实施方式中，针对所述开口谐振环形结构：
84.每个第一金属纳米线气凝胶微结构的电导率σ1为0.1～10s/m；其中开口谐振环形结构的外圆半径c1为6～8mm；内圆半径c2为3～5mm；开口矩形长n1为6～10mm；开口矩形宽m1为2～6mm；圆心到开口矩形较远边长的垂直距离f1为5～8mm；开口谐振环形结构的厚度d1为1.3～1.5mm；所述第一高分子弹性体介质层的长度l1为13～23mm；所述第一高分子弹性体介质层的宽度w1为13～23mm；所述第一高分子弹性体介质层的厚度h1为1.5～2mm；
85.每个第二金属纳米线气凝胶微结构的电导率σ2为0.1～10s/m；其中开口谐振环形结构的外圆半径e1为3～5mm；内圆半径e2为0.5～2.5mm，开口矩形长n2为2～6mm，开口矩形宽m2为2～6mm，圆心到开口矩形较远边长的垂直距离f2为3～6mm；开口谐振环形结构的厚度d2为1.3～1.5mm；所述第一高分子弹性体介质层的长度l1为13～23mm；所述第一高分子弹性体介质层的宽度w1为13～23mm；所述第二高分子弹性体介质层的厚度h2为1.5～2mm。
86.所述开口谐振环形结构的间隔参数x1'表示第一金属纳米线气凝胶微结构中外圆左侧边缘与所述第一高分子弹性体介质层对应矩形中左侧边的最小水平距离；间隔参数x2’
表示第一金属纳米线气凝胶微结构中外圆右侧边缘与所述第一高分子弹性体介质层对应矩形中右侧边的最小水平距离；间隔参数y1‘
表示第一金属纳米线气凝胶微结构中外圆上侧边缘与所述第一高分子弹性体介质层对应矩形中上侧边的最小垂直距离；间隔参数y2‘
表示第一金属纳米线气凝胶微结构中外圆下侧边缘与所述第一高分子弹性体介质层对应矩形中下侧边的最小垂直距离。x1'、x2'、y1'、y2'的范围相等，均为5-8mm，为了简化，上述间隔参数不再进行图示说明，请结合图7理解。
87.优选的实施方式中，σ1＝σ2＝0.5s/m；σ3＝10000s/m；c1＝7.5mm；c2＝4.5mm；e1＝4.5mm；e2＝2mm；d1＝d2＝1.3mm；l1＝l2＝18mm；w1＝w2＝18mm；h1＝h2＝1.5mm；n1＝8mm；m1＝3.8mm；f1＝7.6mm；n2＝5mm；m2＝3.7mm；f2＝4.5mm；间隔参数x1'＝y1'＝x2'＝y2'＝5mm。
88.针对上述两种图形化结构，可选的一种实施方式中，所述金属纳米线背板的电导率σ3为10000～20000s/m；厚度d3为0.1～0.3mm；涂布的金属纳米线分散液的浓度范围为
45mg/ml～60mg/ml。可以理解的是，该浓度范围已经是一个相对较高的浓度范围。
89.可选的实施方式中，所述基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的应用频段包括：
90.x波段和ku波段。
91.其中已知的是，x波段为8-12ghz，ku波段为12-18ghz。
92.本发明实施例通过实验，调整基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体中相关结构的厚度，比如将将原有厚度值变化1um～10mm，可以覆盖ghz以及部分太赫兹频段，比如0.2-2.0thz，能够满足更宽频段需求。
93.以下结合具体材料和参数，对本发明实施例的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的性能效果进行说明。
94.(1)回字形结构，金属为银，高分子弹性体为ecoflex，频段范围8～12ghz：
95.首先，参考图3和图4，采用雕刻机将两块2mm厚的银板加工成回字形结构，将两者分别浸泡在高分子弹性体ecoflex的溶液中，加热固化得到两个吸波层，并在0.5mm厚的银板上从下到上组装得到具有图形化结构的传统超材料吸波体，即实心结构吸波体。
96.按照本发明实施例方法，利用银纳米线和ecoflex，按照3和图4制备与上述实心结构吸波体相同尺寸的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体。将这两种吸波体的吸收效率进行对比，结果如图8所示。图8为具有图形化结构的传统超材料吸波体与本发明实施例基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的吸收效率对比图。图8中，横轴表示频率；纵轴表示反射损耗；虚线conventional structure表示具有图形化结构的传统超材料吸波体；实线aerogel structure表示气凝胶结构，即本发明实施例基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体。
97.对比可见，具有图形化结构的传统超材料吸波体在8ghz左右发生谐振，但最大反射损耗为-10db，基本没有满足吸波需求的频段。而本发明实施例制备的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体具有丰富的孔隙结构，通过对吸波体孔隙率的调整，使其具有优异的电磁吸波能力，最大反射损耗为-39.8db(即吸收约99.99％的电磁波)，吸波频段(即反射损耗小于-10db的波段)为6.7ghz，频率在7.1ghz～13.8ghz，基本涵盖x波段(约8～12ghz)。这证实了多孔结构气凝胶具有较好的阻抗匹配特性，相比于传统结构，能最大程度增加吸波体吸波性能。
98.(2)回字形结构，金属纳米线为银纳米线，高分子弹性体为ecoflex，频段范围8～12ghz：
99.参照图3和图9，图9为银纳米线气凝胶的sem图(电子扫描显像图)。采用银纳米线铸造气凝胶，高分子弹性体采用拉伸性能优异的ecoflex，气凝胶结构采用回字形结构。
100.依据上述步骤制备基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体后，对制得的吸波体进行不同程度机械性变，测试其不同状态吸波体性能。由于功能微表面结构、内部空隙形态以及功能微结构厚度的变化，吸波幅值跟随改变，吸波峰值频率产生蓝移或红移。对相关性能进行仿真测试，结果见图10。图10为本发明实施例采用有限元法计算得到的基于回字形结构的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的频率可重构的吸收效率图。
101.参照图10，本发明实施例给出基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体提供三种在常用工作模式下的电磁参数曲线，通过对吸波体结构不同程度机械拉伸，将中心吸波
峰值频率在9ghz、10ghz、11ghz附近变化，这样可控制三种不同工作状态的切换，始终保持最佳电磁波吸收，使得吸波器最大程度满足吸收需求。图9中，stretch 0％、stretch 50％、stretch100％分别表示未形变、拉伸50％和拉伸100％。
102.1)当未形变时，吸波体保持原来状态，吸波中心峰值频率在9ghz左右，最大反射损耗为-39.8db(即吸收约99.99％的电磁波)，且吸波频段(即反射损耗小于-10db的波段)为3.7ghz，频率在7.3ghz～11ghz；
103.2)当吸波体拉伸50％时，吸波中心峰值频率在10ghz左右，最大反射损耗为-20.6db(即吸收99.13％的电磁波)，且吸波频段为3.9ghz，频率在8.3ghz～12.2ghz；
104.3)当吸波体拉伸100％时，吸波中心峰值频率在11ghz左右，最大反射损耗为-15.6db(即吸收97.23％电磁波)，且吸波频段为4.5ghz，频率在9.2ghz～13.8ghz。
105.(3)开口谐振环结构，金属纳米线为铜纳米线，高分子弹性体为pdms，频段范围12～18ghz：
106.参照图7，金属纳米线采用铜纳米线铸造气凝胶，高分子弹性体采用pdms，气凝胶结构采用开口谐振环结构，制备基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体，吸波体最大反射损耗为-42.91db(即吸收约99.99％的电磁波)，吸波频段(即反射损耗小于-10db的波段)为9.7ghz，频率在11.6ghz～21.3ghz，完全覆盖ku波段(约12～18ghz)。
107.制备基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体后，对制得的吸波体进行不同程度机械性变，测试其不同状态吸波体性能。由于功能微表面结构、内部空隙形态以及功能微结构厚度的变化，吸波幅值跟随改变，吸波峰值频率产生蓝移或红移。对相关性能进行仿真测试，结果见图11。图11为本发明实施例采用有限元法计算得到的基于开口谐振环结构的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的频率可重构的吸收效率图。
108.参照图11，本发明实施例给出基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体提供三种在常用工作模式下的电磁参数曲线，通过对吸波体结构不同程度机械拉伸，将中心吸波峰值频率在14ghz、14.5ghz、16ghz附近变化，这样可控制三种不同工作状态的切换，始终保持最佳电磁波吸收，使得吸波器最大程度满足吸收需求。图11中，stretch 0％、stretch 10％、stretch30％分别表示未形变、拉伸10％和拉伸30％。
109.1)当未形变时，吸波体保持原来状态，吸波中心峰值频率在14ghz左右，最大反射损耗为-31.3db(即吸收约99.93％的电磁波)，且吸波频段(即反射损耗小于-10db的波段)为9.7ghz，频率在11.6ghz～21.3ghz；
110.2)当吸波体拉伸10％时，吸波中心峰值频率在14.5ghz左右，最大反射损耗为-28.4db(即吸收99.86％的电磁波)，且吸波频段为9.3ghz，频率在11.9ghz～21.2ghz；
111.3)当吸波体拉伸30％时，吸波中心峰值频率在16ghz左右，最大反射损耗为-42.9db(即吸收99.99％电磁波)，且吸波频段为8.8ghz，频率在12.3ghz～21.1ghz。
112.综上，本发明实施例采用金属纳米线气凝胶制备周期性微结构的超材料，提出了一种简单的通过机械拉伸可重构的高效吸波体，具体利用气凝胶多孔结构制备超材料单元，能够较大地提升吸波性能；同时使用高分子弹性体封装气凝胶，能够提高拉伸性能和稳定性。本发明实施例能够实现弹性可重构(即整体可拉伸、压缩)，可用于实现在x波段和ku波段等较宽频段实时独立可调谐的宽频吸收。通过拉伸形变，改变吸波体微结构形状以及厚度，能够灵活实现谐振频率动态调整，进而以高吸波率覆盖相应波段；
113.第二方面，相应于第一方面提供的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体，本发明实施例还提供了一种基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的制备方法，该方法包括以下步骤：
114.步骤1，针对目标波段，在预设浓度范围内以预设采样间隔获取不同浓度的金属纳米线分散液所铸造的气凝胶材料的电磁参数，确定各电磁参数范围；其中，所述电磁参数包括电导率和介电常数；
115.具体的，目标波段可以为x波段、ku波段等。预设浓度范围可以为5mg/ml～20mg/ml等。预设采样间隔可以为5mg/ml等。金属纳米线可以为金纳米线、银纳米线和铜纳米线等。利用金属纳米线分散液铸造气凝胶材料的具体工艺请见现有技术，在此不做说明。
116.可以通过四探针法以及nicolson-ross-weir(nrw)法测出所铸造的各种气凝胶材料的电磁参数，从而确定各种情况下电导率和介电常数分别对应的参数范围，以作为后续仿真中电磁参数的扫描范围。
117.步骤2，对基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体进行仿真建模，其结构由上至下包括：第一吸波层、第二吸波层和高分子弹性体薄膜；所述第一吸波层包括第一高分子弹性体介质层和包裹在所述第一高分子弹性体介质层内的第一金属纳米线气凝胶微结构阵列；所述第二吸波层包括第二高分子弹性体介质层和包裹在所述第二高分子弹性体介质层内的第二金属纳米线气凝胶微结构阵列；所述第一金属纳米线气凝胶微结构阵列包括等间距周期性排列的多个第一金属纳米线气凝胶微结构；所述第二金属纳米线气凝胶微结构阵列包括等间距周期性排列的多个第二金属纳米线气凝胶微结构；并对仿真建模得到的所述基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体进行几何参数扫描和优化，得到模型初始几何参数；
118.具体的，仿真建模可以采用有限元法fem、时域有限积分cst或者时域有限差分fdtd等。第一金属纳米线微结构和第二金属纳米线微结构可以采用回字形结构或者开口谐振环结构等图形化结构。设置第一金属纳米线微结构的尺寸、第二金属纳米线微结构尺寸、金属纳米线微结构间隔、第一高分子弹性体介质层厚度、第二高分子弹性体介质层厚度以及高分子弹性体薄膜尺寸等各种几何参数的扫描范围，然后进行参数优化，得到最优几何参数，比如针对回字形结构，得到a1、a2、b1、b2、d1、d2、d3、l1、l2、w1、w2、h1、h2，间隔参数x1，y1，x2，y2等参数的具体数值，从而确定吸波体的几何参数。
119.仿真建模时，吸波体边界采用floquet周期性边界条件模拟吸波体阵列结构，第一、第二金属纳米线气凝胶的电导率σ1、σ2在1s/m～10s/m间按照1s/m的步进等间隔取样，金属纳米线背板采用理想电导体边界条件进行替代，仿真计算得到吸波体最优参数，为下一步制备提供理论指导。
120.步骤3，在所述模型初始几何参数基础上，基于对应的电磁参数范围，对所述基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体进行电学参数扫描，确定各电磁参数的优选值；
121.再步骤2的几何结构基础上，根据步骤1确定的电导率和介电常数分别对应的参数范围，进行参数扫描优化，确定σ1、σ2、σ3的优选值。
122.步骤4，根据所述模型初始几何参数和所述各电磁参数的优选值，采用冷冻干燥的工艺制备对应的图形化金属纳米线气凝胶，得到所述第一金属纳米线气凝胶微结构；利用等间距周期性排列的多个第一金属纳米线气凝胶微结构形成所述第一金属纳米线微结构
阵列，将所述第一金属纳米线微结构阵列四周包裹所述第一高分子弹性体介质层形成所述第一吸波层；
123.具体的，比如针对回字形结构，先根据步骤2和3确定的针对第一吸波层中各结构的参数数值，采用冷冻干燥的工艺制备回字形结构的多个金属纳米线气凝胶，然后真空抽滤灌注高分子弹性体，再加热烘干，形成第一金属纳米线微结构以及相应的阵列，之后外包裹高分子弹性体介质层得到第一吸波层。
124.步骤5，调整工艺参数，重复步骤4形成所述第二吸波层；
125.该步骤和步骤4类似，但根据步骤2和3确定的针对第二吸波层中各结构的参数数值调整工艺参数实现。
126.步骤6，在固化的所述高分子弹性体薄膜上悬涂预设浓度的金属纳米线分散液，加热烘干形成金属纳米线背板；
127.其中，预设浓度可以为45mg/ml～60mg/ml、50～100mg/ml等，具体根据需要选择。金属纳米线分散液中的金属和第一金属纳米线微结构以及第二金属纳米线微结构中的金属相同。
128.步骤7，将制备得到的所述第一吸波层、所述第二吸波层和所述金属纳米线背板自上而下依次贴合，组成所述基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体。
129.本发明实施例所提供的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的制备方法，首先对不同浓度的金属纳米线分散液所铸造的气凝胶材料进行电磁参数测试，为后续仿真提供多样化且较为准确的扫描范围；其次建立基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体的仿真模型，并利用几何参数扫描确定模型初始几何参数，实现结构初始化；之后进行电磁参数扫描优化，提供可工艺化的样本参考；之后在确定的几何参数和电磁参数基础上，利用工艺手段按序制备出基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体。
130.所制备出的基于金属纳米线气凝胶的可重构弹性吸波体，通过机械拉伸简便实现可重构吸波体。该吸波体三层导电功能层均采用金属纳米线制备，具有优异的可拉伸性能，能够使得该吸波体整体可保持大尺度拉伸，能够最大程度保证机械形变的稳定性，使吸波器具有稳定可重构性能。
131.并且，本发明实施例利用气凝胶多孔结构制备超材料结构单元。由于采用金属纳米线多孔气凝胶，当电磁波入射该气凝胶表面时，会与该气凝胶表面空隙形成较好的阻抗匹配，能够极大程度增强电磁波入射进入超材料内部的几率。同时该气凝胶也作为电磁波吸收剂，使得电磁波在通过该气凝胶内部时，其内部丰富的胞壁表面cws可以对电磁波进行多次反射损耗，从而大大增强材料的吸波性能。此外，该气凝胶内部丰富的孔隙也为高分子弹性体灌装提供了空间，能够形成多相复合材料。
132.另外，本发明实施例采用高分子弹性体对金属纳米线气凝胶进行封装，能够极大减少环境中特定等化学物质的侵蚀，有效防止金属纳米线发生不良化学反应，能够大幅度提升金属纳米线气凝胶的导电网络的稳定性。同时，由于金属纳米线气凝胶内部微孔结构浸润在高分子弹性体中，也能够增强气凝胶结构的稳定性，提升其拉伸性能。此外，采用高分子弹性体能够赋予吸波体弹性形变能力，使该吸波体具有良好的共形能力，可以简单方便地贴附于需要电磁防护的设备表面；同时在形变过程中，本发明实施例的吸波器机械稳定度高、柔性好，可任意弯折、扭曲甚至拉伸，能够针对不同电磁波吸收防护要求以及在较
宽频段实现重复使用的需求。
133.需要说明的是，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
134.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
135.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
136.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。