超材料吸波结构的力学与电磁学协同设计方法研究

Metamaterial absorbing structures, a novel type of multifunctional composite structures, are urgently demanded by the high-end stealth combat platform. However, the design procedure of metamaterial absorbing structure depends seriously on mechanical and electromagnetic multi-objective optimization with iterative process, and thereby the design procedures of traditional absorbing materials and composite structures are no longer applicable for this new type of structures. The present proposal aims to study systematically the mechanical and electromagnetic design procedure for metamaterial absorbing structures, the innovations including: (1) to make clear the mechanism of local resonance absorbing for wave energy caused by the microstructure of metamaterials, as well as the cooperation mechanism of multiple absorbing process; (2) to set up a general rule for designing ultra-broadband absorbing structures as well as to propose a new model for lightweight-broadband-thin-strong metamaterial absorbing structure, and to develop the mechanical and electromagnetic design procedure for the ultra-broadband absorbing structures with stealth and load-bearing function; (3) to propose a new concept of dual absorbing structure for both electromagnetic wave and acoustic wave and to establish a mechanical and electromagnetic design procedure for it. This study involves the interdisciplinary fields of mechanics, electromagnetics, material science, and so on. After this study, some new concept designs as well as the fundamental theory and method for new generation of stealth technology can be expected.

高端隐身装备对超材料吸波结构需求迫切。超材料吸波结构是一类新型的多功能复合材料结构，其设计过程依赖于力学和电磁学的多目标优化与反复迭代，而传统的吸波材料与复合材料结构设计方法都不能直接应用于该类结构。本项目将系统地研究超材料吸波结构力学与电磁学设计方法。主要创新点包括：（1）揭示超材料微结构对波动能量局部谐振吸收的规律，及多种吸收机理之间的协同作用机制；（2）阐明高效的超宽频吸波结构设计的一般规律，提出轻-宽-薄-强的隐身承载一体化超材料吸波结构新模型，建立其力学与电磁学设计方法；（3）提出电磁波和声波双吸收结构的新概念，建立波动力学和电磁学相结合的电磁波/声波双吸收结构设计方法。本项目涉及力学、电磁学、材料科学等多学科交叉领域，期待通过研究，为新一代隐身技术提供新概念设计与理论方法支撑。

本项目针对武器装备对宽频吸波结构的迫切需求，开展了超材料吸波结构工作机理、优化设计方法、性能测试与应用研究。(1)针对局部谐振型金属超材料吸波体，通过计算分析，明确揭示了基体材料的损耗参数是局部谐振吸收不可或缺的要素之一。(2)探讨了损耗介质型、界面阻抗型、局部谐振型三类主要的吸收体对电磁波损耗吸收的作用机理及其特点，研究了多机理协同作用实现超宽频吸波隐身的方案。通过电磁双损复合材料研发和基元构型设计、介质损耗与局部谐振机理的复配等方式，研制了多类薄型宽频吸波结构。(3)将多层介质电磁波反射率计算方法与遗传算法相结合，发展了界面阻抗型吸波结构力学和电磁学性能的优化设计方法，编制了优化设计计算程序，可以针对给定的吸波频段组合与反射率水平等目标，考虑重量和力学性能等约束条件，快速地给出对这类结构的优化结果。(4)针对电磁波/声波双吸收的要求，基于六边形蜂窝内伸管谐振器基元密排结构，对蜂窝壁厚进行梯度设计，并采用吸波复合材料制备梯度蜂窝壁，提出了电磁波/声波双吸收结构的一种设计方法，及其3D打印制备方案。(5)针对工程应用中主要关注的性能，完成了界面阻抗型夹层超材料吸波结构力学和电磁学性能的测试表征，并开展了超材料吸波结构在无人机边条梁等典型结构件上初步应用研究。本项目研究成果为超材料吸波结构的应用提供了理论指导和技术方法支撑。