電磁/水下隱身減阻一體化超結構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構,，可以應用于跨介質飛行器蒙皮結構,，實現(xiàn)空中隱身、水下降噪,、水下減阻等多種功能,，并達成超材料結構的小型化和輕量化。設計的旋轉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構強度,，也作為電磁超材料的基板；在電磁超材料的基礎上,，通過使用增材制造和超聲空化技術,，形成不同微納尺度的各向異性表面超疏水結構，以減小水下阻力并實現(xiàn)流動控制作用,。該一體化超結構材料在跨介質飛行器結構設計領域具有廣闊的應用前景,。

跨介質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,，具有多任務能力。

為提升跨介質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構,，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 結構設計與仿真分析

1.1總體結構設計
  為滿足雷達波隱身,、水下聲吶隱身,，水中航行減阻的需求，整體設計為三層結構,，頂層為旋轉堆疊金字塔吸波器,，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,，同時具備較高的結構強度，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構,，用于減小水下阻力，同時降低水流噪聲,。整體結構形式如圖1所示,。

圖1 總體結構

1.2旋轉堆疊金字塔結構與仿真分析
在諧振型寬帶吸波器的設計與研究中，金屬-介質堆疊結構一直是一種比較熱門的設計思路,。其主要利用了窄帶吸收峰的連續(xù)疊加,，形成寬帶吸收的設計理念，所以金屬層數(shù)的增加是擴展吸收帶寬的關鍵,。該方法常應用于金字塔和圓臺等錐形結構,。但限于錐形結構本身的高度，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構,、多種金字塔結構以及多種介質材料堆疊結構等方式提高吸收帶寬。然而這些結構都表現(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)金字塔結構沿中心軸逐層旋轉，即為每層金屬貼片引入一定的旋轉角度，能有效擴大該結構的高頻吸收帶寬,。圖2為根據(jù)逐層旋轉方法設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-介質層構成的傳統(tǒng)金字塔吸波器，其中每層金屬貼片的厚度為w1,、貼片之間的介質層厚度為w2,。金屬貼片以側邊傾角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)金字塔吸波器結構單元為基礎,，為每層金屬貼片繞中心軸引入了旋轉角度β/20，總旋轉角度為β,。

圖2 金字塔吸波器的結構單元示意圖

（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,，本文設計旋轉堆疊金字塔吸波器作為電磁隱身結構，相比于對照組的傳統(tǒng)金字塔結構,，具有更高的吸收率,，且能夠在基礎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,，扭曲金字塔結構的三階諧振頻率遠低于傳統(tǒng)金字塔結構的諧振頻率，使得扭曲金字塔結構的三階磁共振模式能夠在高頻寬帶范圍內與基礎磁共振模式產生耦合,，并實現(xiàn)額外的寬帶吸收。

圖3  電子結構層仿真結果

（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斜蜂窩隔聲結構與仿真分析
與使用由局部共振或布拉格散射產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,。而經過設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

本文設計的各向異性斜蜂窩結構如圖5a所示,，其具體的參數(shù)為：圖片,。整體結構具有極小阻抗，應用于250Hz-3500Hz范圍內低頻水聲的隔離,，經過仿真分析,，其平均傳聲損失是43dB。

圖5  a)斜蜂窩具體結構;b)斜蜂窩隔聲結構仿真分析結果

1.4微納超疏水結構
賦予材料表面低表面能（化學成分） 和合適的微納粗糙結構（形貌控制） 后,，構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（結合力）。底層結構為仿水稻葉的超疏水結構,。水稻葉呈現(xiàn)各向異性,，水滴傾向于沿平行葉脈方向滾動。本文設計的超疏水結構分為兩級結構,，如圖6b所示,，第一級為周期性排列的微米尺度的棱槽結構，第二級為大量納米級二氧化硅顆粒,。

圖6  二級微納超疏水結構

2 超結構制備
針對實現(xiàn)空中電磁隱身的旋轉堆疊金字塔結構,，本文采用一體化制備工藝，選擇增材制造技術中微滴噴射成形(MJM)技術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)固化納米級導電銀漿為原材料，采用非接觸式噴墨沉積技術,，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構，本文使用金屬增材制造制作斜蜂窩點陣結構,。

針對實現(xiàn)水下減阻的超疏水結構,，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構。在增材制造的微米量級的流向結構基礎上,，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構表面上，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）一體化超結構；（b）旋轉堆疊金字塔結構,；（c）斜蜂窩隔聲結構,；（d）微納超疏水結構

3測試及分析
本文對實現(xiàn)電磁隱身的旋轉堆疊金字塔結構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果,，在2-22GHz范圍內，當入射角度在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,，當入射角度在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）吸波器結構層測試；（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構樣品進行了水下隔聲的實驗測試,，測量結果顯示，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，與仿真結果基本一致,。

圖6 （a）隔聲結構層測試,；（b）隔聲結構層試驗結果

對仿水稻葉表面的各向異性超疏水結構進行了表面濕潤性測試，實驗測得樣品構筑的表面具有優(yōu)異的疏水特性和各向異性,，接觸角最高達145°,。

圖3 結構表面濕潤性

4 結束語
本文創(chuàng)新地提出一種適用于跨介質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構，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,。在該結構中，隔聲五模材料既能有效調控水下聲波,，還是主要的承載結構,；旋轉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：人工設計各向異性斜蜂窩隔聲-承載一體化結構，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構,，接觸角大于145°。