一种基于石墨烯的光学透明自适应吸波表面及其制备方法

1.本发明属于微波器件技术领域，涉及一种基于石墨烯的光学透明自适应吸波表面及其制备方法。


背景技术：

2.光透明吸波表面由于具有降低背向散射电磁的能力，在多种包含光学窗口的应用环境中显示出了巨大的潜力。除此之外，随着雷达探测能力的提升，吸波表面也需要具有相应的变化手段与之相适应，这便要求透明电磁吸波结构的吸波幅度及工作频段具有一定动态可调功能，从而更好地完成电磁对抗的要求，增加战场生存能力。基于印刷电路板工艺和表面贴装技术，集成了集总器件如变容二极管的有源可调吸波表面实现了对电磁波的动态调控，这就需要复杂的馈电电路和电源供应，使得最终的可调吸波结构不具有光学透明的特点，无法应用于一些需要光学透明的实际场景中。
3.基于一些透明工艺，一些先进材料如液晶、石墨烯等被应用在透明可调吸波结构中。其中，石墨烯作为二维晶体，由于其在从可见光到微波频率的非常广泛的光谱范围内控制光-物质相互作用的前所未有的能力，已被广泛用于可调的透明吸波结构。石墨烯作为一种新兴的二维平面材料，在力学、电学、光学、生物化学等等方面表现出杰出的性能，如单层石墨烯具有接近97.7％的透光率，具有最快的电子迁移率(15000cm2/v/cm)，不受温度控制的超高电荷载流子迁移率(200000cm2/v/s)和接近光速的高效的费米速度(106m/s)。石墨烯还有极好的机械性能，其杨氏模量为1.0tpa，此外，它还有极好的电子传导率及柔韧性。正是因为石墨烯的这些性质，广大的科研工作者给予了极高的关注度。2020年，本课题组在(geng m.y.,liuz.g.,wuw.j.,chenh.,wub.,luw.b.a dynamically tunable microwave absorber based on graphene,ieee trans.antennas propag.,68,4706,2020)工作中利用石墨烯与印刷电路板技术实现了吸波表面的动态调谐。2021年，本课题组在(geng m.y.,chenh.,liuz.g.,luw.b.,yangx.l.,box.z.,transparent and flexible absorber with dynamically frequency modulation using graphene,iceict,2021)工作中实现了基于石墨烯的透明可调电磁吸波表面。2022年，本课题组在(geng m.y.,liuz.g.,chenh.,baox.z.,yangx.l.,luw.b.,flexible and dual-tunable radar absorber enabled by graphene,7,2200028,2022)中利用石墨烯实现了频率和幅度双调的雷达吸波表面。
4.以上提到的透明可调吸波表面都需要人为控制，不存在反馈机制，对于电磁环境的变化无法自主地做出相关的响应。


技术实现要素：

5.技术问题：为解决背景技术中提到的技术问题，本发明目的在于提供一种基于石墨烯的光学透明自适应吸波表面及其制备方法，通过感知模块感知入射电磁波的频率信息和幅度信息，并通过微控制器mcu反馈电压供给吸波表面，其便可在无需认为干扰的情况下独立地实现不同的电磁响应，例如自适应调频、自适应调幅等共功能。
6.技术方案：为了解决上述技术问题，本发明的一种基于石墨烯的光学透明自适应吸波表面具体如下：
7.基于石墨烯的光学透明自适应吸波表面包括自上而下依次叠合设置的图案化石墨烯电控层、pdms介质层和金属丝网底板；
8.第一层的图案化石墨烯电控层包括第一pet衬底、设置在第一pet衬底上的第一石墨烯方环阵列、第二pet衬底、设置在第二pet衬底上的第二石墨烯方环阵列、以及填充在第一pet衬底和第二pet衬底之间的透明离子液；第一石墨烯方环阵列和第二石墨烯方环阵列均包括等间距周期性排列的石墨烯方环单元；
9.第一pet衬底和第二pet衬底叠合设置，第一石墨烯方环阵列和第二石墨烯方环阵列分别设置在第一pet衬底和第二pet衬底的内表面；
10.第二层的pdms介质层光学透明，起到结构的支撑作用；
11.第三层的金属丝网底板光学透明，用来充当吸波表面的地板。
12.第一石墨烯方环阵列和第二石墨烯方环阵列图案相同；
13.第一石墨烯方环阵列上的石墨烯方环单元与第二石墨烯方环阵列上的石墨烯方环单元一一对应；
14.所述pdms介质层的厚度为5.0-6.0mm，介电常数为2.6-2.9，损耗角正切为0.01-0.02。
15.所述金属丝网底板的厚度为0.05-0.15mm。
16.本发明的基于石墨烯的光学透明自适应吸波表面的制备方法包括如下步骤：
17.步骤1，利用matlab及等效电路理论对图案化石墨烯电控层、pdms介质层和金属丝网底板行建模，通过参数扫描，优化得到自适应吸波表面功能最优的石墨烯方环单元尺寸、石墨烯方环单元间隔以及石墨烯方阻值；
18.步骤2，利用铜箔生长石墨烯，生长后，将石墨烯热转移到第一pet衬底和第二pet衬底上，之后利用激光对第一pet衬底和第二pet衬底上的石墨烯进行刻蚀，得到附着在第一pet衬底上的第一石墨烯方环阵列，以及附着在第二pet衬底上的第二石墨烯方环阵列；
19.步骤3，第一pet衬底与第二pet衬底叠合放置，第一石墨烯方环阵列朝向第二pet衬底；在两个pet衬底之间填充透明离子液，形成石墨烯电控层；
20.步骤4，在pdms介质层的表面附着金属丝网底板；
21.步骤5，图案化石墨烯电控层与附着金属丝网底板的pdms介质层相贴合，其中金属丝网底板远离第二pet衬底。
22.步骤1中利用matlab及等效电路理论对图案化石墨烯电控层、pdms介质层和金属丝网底板进行建模，入射电磁波垂直入射时，将石墨烯方环阵列等效为可变电阻、电容与电感的串联；第一pet衬底、第二pet衬底、pdms介质层、金属丝网底板用各自的传输线模型来表征。
23.步骤1中优化得到的石墨烯方环单元的尺寸为7.3mm*7.5mm的环形、内环尺寸为1mm*1mm，石墨烯方环单元沿电磁波电场方向间隔为0.2mm。
24.所述入射电磁波通过ltc5530射频感知电路感知入射电磁波的频率和幅度，反馈至微控制器mcu用以控制吸波表面产生特定情况下的电磁响应以匹配入射电磁波。
25.有益效果：本发明提供的一种基于石墨烯的光学透明自适应吸波表面及其制备方
法，相比现有技术，具有以下有益效果：
26.1.本发明区别于传统的利用电容二极管等集总器件对吸波表面进行调控，极大的简化了馈电结构和馈电网络。
27.2.本发明使用透明介质pdms和透明金属丝网分别作为基底和底板，并加载了透明石墨烯电控层，从而实现了自适应吸波表面的透明化，在一些需要透明展示的场景中有很大优势。
28.3.本发明通过感知模块感知入射电磁波的频率信息和幅度信息，通过反馈机制进而控制吸波表面自适应地做出相关响应以实现不同的功能，包括自适应的频率调控、自适应的幅度调控。
29.4.本发明结构简单，加工方便，便于实现。仅依靠简单的石墨烯图样，在微波段内易于制备加工。
附图说明
30.图1是基于石墨烯的光学透明自适应吸波表面结构示意图；
31.图2是基于石墨烯的光学透明自适应吸波表面的剖视图；
32.图3是本发明吸波表面在不同石墨烯方阻下对不同频率垂直入射电磁波的自适应调频示意图；其中，a图对应的入射频率为6.0ghz，b图对应的入射频率为5.7ghz，c图对应的入射频率为5.5ghz；
33.图4是本发明吸波表面在不同石墨烯方阻下对不同幅度垂直入射电磁波的调幅示意图。
34.图中有：图案化石墨烯电控层1、第一pet衬底11、第二pet衬底12、第一石墨烯方环阵列13、第二石墨烯方环阵列14、透明离子液15、pdms介质层2、金属丝网底板3。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明的结构及性能做进一步说明。
36.如图1-2所示，一种基于石墨烯的光学透明自适应吸波表面，包括依次叠合设置的图案化石墨烯电控层1、pdms介质层2和金属丝网底板3；组成本发明吸波表面的各层结构均光学透明，使得本发明的外观整体看上去是透明的；
37.所述的图案化石墨烯电控层包括第一pet衬底11、设置在第一pet衬底上的第一石墨烯方环阵列13、第二pet衬底13、设置在第二pet衬底上的第二石墨烯方环阵列14、以及填充在第一pet衬底11和第二pet衬底12之间的透明离子液15；如，所述透明离子液15可以采用三氟甲烷磺酰亚胺盐。
38.第一pet衬底11和第二pet衬底12叠合设置，第一石墨烯方环阵列13和第二石墨烯方环阵列14分别设置在第一pet衬底11和第二pet衬底12的内表面；
39.第二层的pdms介质层2光学透明，起到结构的支撑作用；
40.第三层的金属丝网3光学透明，用来充当吸波表面的地板。
41.第一石墨烯方环阵列13和第二石墨烯方环阵列14图案相同；第一石墨烯方环阵列13和第二石墨烯方环阵列14均包括等间距周期性排列的石墨烯方环单元；石墨烯方环单元为环形，且第一石墨烯方环阵列13上的石墨烯方环单元和第二石墨烯方环阵列14上的石墨
烯方环单元一一对应；
42.所述的pdms介质层2的厚度为5.0-6.0mm，介电常数为2.6-2.9，损耗角正切为0.01-0.02，金属丝网底板3的厚度为0.05-0.15mm；
43.所述的自适应吸波表面通过感知模块感知入射电磁波的频率和幅度，反馈至微控制器mcu用以控制吸波表面产生特定情况下的电磁响应以匹配入射电磁波。
44.本发明的一种基于石墨烯的光学透明自适应吸波表面的制备方法，包括如下步骤：
45.步骤1，利用matlab及等效电路理论对图案化石墨烯电控层1、pdms介质2和金属丝网底板3进行建模，入射电磁波垂直入射时，将石墨烯方环阵列等效为电阻、电容与电感的串联；pet衬底，pdms介质层2，金属丝网底板3用各自的标准传输线模型来表征；
46.其中等效电阻、电感、电容的公式可参见geng m.y.,liuz.g.,wuw.j.,chenh.,wu b.,luw.b.a dynamically tunable microwave absorber based on graphene,ieee trans.antennas propag.,68,4706,2020。
47.通过参数扫描，优化得到自适应吸波表面最优的石墨烯方环单元尺寸、石墨烯方环单元间隔以及石墨烯方阻值。
48.当石墨烯方环单元的尺寸为7.3mm*7.5mm的环形、内环尺寸为1mm*1mm，石墨烯方环单元的间隔为0.2mm时，本发明吸波表面结构具有良好的自适应调频、自适应调幅功能。
49.同时，本发明中所述的pdms介质层2的厚度为5.0-6.0mm，介电常数为2.6-2.9，损耗角正切为0.01-0.02，金属丝网底板3的厚度为0.05-0.15mm；结构周期为7.5mm。
50.步骤2，根据步骤1得到石墨烯方阻值，利用铜箔来生长石墨烯，生长方法为cvd法，生长后，将石墨烯转移到第一pet衬底11和第二pet12衬底上；
51.根据步骤1得到的石墨烯方环单元尺寸和石墨烯方环单元间隔，通过激光对第一pet衬底11和第二pet衬底12上的石墨烯进行刻蚀，得到附着在第一pet衬底11上的第一石墨烯方环阵列13，以及附着在第二pet衬底12上的第二石墨烯方环阵列14；
52.步骤3，第一pet衬底11与第二pet衬底12叠合放置，第一石墨烯方环阵列13朝向第二pet衬底12；在pet衬底之间填充透明离子液，形成石墨烯电控层1；
53.步骤4，在pdms介质层2的表面附着金属丝网底板3；
54.步骤5，石墨烯电控层1与附着金属丝网底板的pdms介质层2相贴合，其中金属丝网底板3远离第二pet衬底12。
55.利用商业软件cst对所设计模型进行建模，采用时域仿真方法进行石墨烯阵列的仿真，图案化石墨烯用零厚度的阻抗边界条件来模拟，石墨烯的方阻在100ω/sq～600ω/sq的区域按照50ω/sq的步进等间隔取值，对模型施加的边界条件为开放边界，仿真得到石墨烯超表面的特性，如透射系数、反射系数等；
56.按本发明的方法制备出自适应吸波表面结构后，测试本发明的自适应吸波特性。自适应吸波表面通过感知模块感知入射电磁波的频率信息和幅度信息，通过反馈机制进而控制吸波表面自适应地做出相关响应以实现不同的功能，包括自适应的频率调控、自适应的幅度调控。如图3所示，当入射电磁波分别是6.0ghz,5.7ghz和5.5ghz时，吸波表面将自适应地调节自身的谐振频率以匹配入射的电磁波，微弱的频率偏差可以忽略。同时，如图4所示，在不同石墨烯方阻下仿真获得了反射系数幅度的可调特性，结合感知模块与反馈机制，
吸波表面可以实现对入射电磁波的自适应幅度调控。
57.本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
58.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。