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

來源：第三屆航空航天增材制造大會優(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)，實現(xiàn)空中隱身、水下降噪、水下減阻等多種功能，并達成超材料結(jié)構(gòu)的小型化和輕量化。設(shè)計的旋轉(zhuǎn)堆疊金字塔吸波器擴展了電磁波吸收帶寬，斜蜂窩五模材料在實現(xiàn)水下聲波的高效隔離的同時具備較高的結(jié)構(gòu)強度，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現(xiàn)流動控制作用。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，并可針對敵方防御體系弱點，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)，有助于增強飛行器在敵方多體制探測體系下的空中、水下突防概率，成為應(yīng)對水面艦船、潛艇、反潛直升機等海上傳統(tǒng)作戰(zhàn)力量的撒手锏武器。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

1.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
  為滿足雷達波隱身、水下聲吶隱身，水中航行減阻的需求，整體設(shè)計為三層結(jié)構(gòu)，頂層為旋轉(zhuǎn)堆疊金字塔吸波器，用于擴展電磁波吸收帶寬；中部為六邊形斜蜂窩五模隔聲材料，實現(xiàn)水下聲波的高效隔離，同時具備較高的結(jié)構(gòu)強度，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)計與研究中，金屬-介質(zhì)堆疊結(jié)構(gòu)一直是一種比較熱門的設(shè)計思路。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)計理念，所以金屬層數(shù)的增加是擴展吸收帶寬的關(guān)鍵。該方法常應(yīng)用于金字塔和圓臺等錐形結(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)計出來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，通過阻抗失配對水聲進行絕緣具有寬帶有效性的優(yōu)勢。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)過設(shè)計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)準橫波和準縱波來調(diào)整波速，從而形成聲阻抗失配進而達成隔聲的效果。各類蜂窩的隔聲效果如圖4所示。

圖4  各類型蜂窩隔聲效果示意圖

本文設(shè)計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。本文設(shè)計的超疏水結(jié)構(gòu)分為兩級結(jié)構(gòu)，如圖6b所示，第一級為周期性排列的微米尺度的棱槽結(jié)構(gòu)，第二級為大量納米級二氧化硅顆粒。

圖6  二級微納超疏水結(jié)構(gòu)

2 超結(jié)構(gòu)制備
針對實現(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)固化樹脂基材和紅外光(815nm)固化納米級導(dǎo)電銀漿為原材料，采用非接觸式噴墨沉積技術(shù)，實現(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

針對實現(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陣結(jié)構(gòu)。

針對實現(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粗糙微納級結(jié)構(gòu)。在增材制造的微米量級的流向結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用超聲空化原理投射大量納米級二氧化硅顆粒，刻蝕并錨定在流向結(jié)構(gòu)表面上，實現(xiàn)各向異性的流體浸潤性，達成高效減阻的目的。

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測試及分析
本文對實現(xiàn)電磁隱身的旋轉(zhuǎn)堆疊金字塔結(jié)構(gòu)樣品進行了反射率測試。圖9a表示的是在微波暗室中對樣品的實測環(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試結(jié)果，在2-22GHz范圍內(nèi)，當(dāng)入射角度在0到45°時，整個工作帶寬的吸收率保持在70%以上。圖9c為TM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)層測試；（b）TE模式下的實測吸收率；（c）TM模式下的實測吸收率

對用于隔聲的高度各向異性斜蜂窩微結(jié)構(gòu)樣品進行了水下隔聲的實驗測試，測量結(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)層測試；（b）隔聲結(jié)構(gòu)層試驗結(jié)果

對仿水稻葉表面的各向異性超疏水結(jié)構(gòu)進行了表面濕潤性測試，實驗測得樣品構(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145°。

圖3 結(jié)構(gòu)表面濕潤性

4 結(jié)束語
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的可探測性；各向異性微納粗糙表面能有效增加水與表面的接觸角，實現(xiàn)超疏水減阻和流動控制功能。通過增材制造技術(shù)實現(xiàn)各功能層的制造，通過試驗測試，獲得整體性能如下：

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

（2）水下隔聲：人工設(shè)計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°。