北理工在化學電源與系統的反向設計取得研究進展


  繼2018 年11月17日方岱寧院士研究團隊在著名材料學期刊 《先進功能材料》(Advanced Functional Materials, 2018, 1806383.)報道化學電源系統反向設計的電化學-力學-光學耦合仿生變色器件之后,11月27日,國際頂級綜合性期刊《尖端科學》 Advanced Science, 2019, 1902162(期刊IF="15.804)在線報道了該研究團隊最新的化學電源系統反向設計成果:首次基于透明化學電源電解質(第二類導體)設計多層光學可調電磁隱身結構(Ionic" Conductive Gels for Optically Manipulatable Microwave Stealth Structures)。

  光波透射結構和作用窗口因為具有獨特的功能而在工業中廣泛的應用引起了業界的關注,追求智能技術、智能結構及智能窗口可以隨著外界環境變化呈現出唯一變量。5G通信技術(頻段I: 0.45–6 GHz; 頻段II: 24.25–40 GHz 或更高))的應用對電磁防護提出了更高的要求。結合智能調控功能的微波隱身結構具有很高的研究應用價值,同時實現微波吸收和光波透射成為智能微波隱身結構的關鍵挑戰。通常設計中,主要采用第一類導體(電子導體)設計透射率不可調控的隱身結構。第二類導體(離子導體),更多是在化學電源電解質中使用,而其本征優異的離子極化以及離子電導特性,能夠賦予凝膠有效的極化損耗以及電導損耗,這類導體很少被電磁結構設計的研究學者關注。

圖1 光學透明凝膠及透明多層結構設計、制備與表征:(a)室溫下光學透明多層隱身結構;(b) 不同凝膠在紫外可見光范圍內的透射光譜;(c)不同凝膠的制備配比;(d) 不同凝膠的黏度測試;(e) 不同凝膠的介電常數實部;(f) 不同凝膠的介電常數實部。

  本研究團隊首次基于第二類光學透明導體,離子導體為極化以及損耗介質,采用水溶性聚乙烯醇作為吸波材料,研究水相聚乙烯醇基凝膠的微波吸收機理表明高極性水分子在介質損耗方面對電磁波的衰減起著至關重要的作用(如圖1所示)。同時,加入具有羥基官能團和磷酸分子的聚乙烯醇聚合物,使水分子以交聯氫鍵網絡的形式具有一定的流動性。當溫度降低到零度以下時,聚乙烯醇水溶液中的凝膠會變成多晶,從而形成具有散射光波能力的不透明凝膠。這種光學特性因為水溶性聚乙烯醇基凝膠具有溫度依賴的結晶變換能力而發生改變。對復介電常數的研究表明液態和固態相的聚乙烯醇基凝膠極性分子對電磁波有不同的敏感度,其中液態相對于電磁波更加敏感從而產生更多的介電損耗,而半固體凝膠相因為具有更多牢固的氫鍵網絡結構,在電磁場中極化程度會被抑制,實現電磁參數的調控。

圖2 基于光學可切換透明凝膠的300 X 300 mm2多層結構設計與弓形法實測:基于最優凝膠采用(a)單層凝膠與(b)雙層凝膠設計多層結構的功率損耗密度分布;(c)采用單層凝膠與(d)采用雙層凝膠的多層隱身結構優化;(e)弓形法實測多層透光隱身結構;(f) 仿真設計結果與弓形法實測結果對比。

  通過篩選性能最優凝膠,通過多層透明結構設計了一種基于離子導體水凝膠的高透電磁隱身結構,通過建模仿真與參數迭代優化獲得了具有寬頻隱身特性的多層結構(圖1)?;謨嘔杓平峁?,構建了具有多層光學透明的寬頻隱身結構,通過弓形法實測與仿真結果對比,驗證了設計的電磁隱身結構具有優異的寬頻電磁隱身特性。同時,溫度可調控的氫鍵網絡實現光透明與不透明的切換(圖3),并且在寬溫度下均能保持優異的離子電導率,將凝膠電導損耗維持在一個較穩定的溫度范圍。在光透射率切換的同時,該結構的有效隱身頻率范圍(15-40 GHz)能夠覆蓋5G通信頻段中的頻段II部分,不僅通過拓展第二類透明導體,集成微波吸收和光波透射功能的新型光學結構取得了新突破,同時還為開發新型可調控功能微波隱身結構及智能光學結構提出了新思路。

  圖3 不同透光狀態下的多層隱身結構進行性能實測:(a)室溫下光學透明多層隱身結構;(b) -20攝氏度下光學不透明多層隱身結構;(c)使用單層凝膠的多層隱身結構的常溫透明狀態下實測電磁隱身性能;(d) 使用單層凝膠的多層隱身結構的-20攝氏度下非透光狀態下實測電磁隱身性能;(e) 使用雙層凝膠的多層隱身結構的常溫透明狀態下實測電磁隱身性能;(f) 使用雙層凝膠的多層隱身結構的-20攝氏度下非透光狀態下實測電磁隱身性能;(g)溫度調控的透光實驗驗證;(h) ?20~30 °C下凝膠的離子電導率。

  該研究工作在先進結構技術研究院首席科學家方岱寧院士指導下,陳明繼副教授、陳浩森副教授、雷紅帥副教授、宋維力副教授(一作)等共同合作完成。完成單位包括北京理工大學先進結構技術研究院(第一完成單位)和中國科學院空間應用工程與技術中心。

  文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201902162

 

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