基于超材料吸波结构的MEMS热电堆红外温度传感器设计

提出了一种基于超材料吸波结构的MEMS热电堆红外温度传感器,避免了使用特殊的滤光片进行封装,从而降低了传感器的体积。在设计上,采用超材料吸波结构将待测目标辐射的红外光选择性吸收,并将光能转化为热。通过利用时域有限差分方法研究了超材料吸波结构的结构参数与红外吸收光谱和吸收率之间的关系,并优化出用于检测人体红外辐射的超材料吸波结构尺寸。结果表明,当红外光波长范围为9.5μm~10.5μm时,该传感器的红外吸收率优于0.38,其中在波长为9.989μm处出现红外吸收峰,其最大吸收值为0.997。由超材料吸波结构产生的热量传递到其下方的热电堆,通过多物理场仿真可得热电堆的热端和冷端的温差为0.046 K,进而转化为输出电压,从而验证了整体设计的有效性。

电磁╱水下隐身减阻一体化超结构增材制造及性能研究

本文提出了一种电磁隐身—水下隔声—超疏水减阻一体化超材料结构,用于跨介质飞行器蒙皮结构,可以实现空中隐身、水下降噪、水下减阻等多种功能和超材料结构的小型化和轻量化。所设计的旋转堆叠金字塔吸波器有效扩展了电磁波吸收带宽,斜蜂窝五模材料在实现高效隔离水下声波的同时,还具备较高的结构强度,可作为电磁超材料的基板。在电磁超材料的基础上,通过使用增材制造和超声空化技术,形成了不同微纳尺度的各向异性表面超疏水结构,减小了水下阻力,实现了流动控制。该一体化超结构材料在跨介质飞行器结构设计领域具有广阔的应用前景。

基于CNTs/PLA的多层宽频超材料吸波结构设计与优化

目的 解决传统超材料吸波结构密度大以及对入射角度敏感的问题。方法 采用机械搅拌法和熔融共混法制备碳纳米管/聚乳酸(CNTs/PLA)复合吸波材料,通过CST电磁仿真软件开展多层超材料吸波结构设计,利用熔融沉积3D打印制备了设计的超材料吸波结构。通过扫描电子显微镜、矢量网络分析仪对制备材料和设计结构的微观形貌和电磁特性进行表征分析。结果 在机械搅拌和熔融共混的共同作用下,碳纳米管在聚乳酸中分布均匀。碳纳米管含量为10%时,复合材料的综合性能达到最佳。当其厚度为1.7 mm时,有效带宽达到最大为3.9 GHz;当厚度为3.2 mm时,反射率达到最低值约为–53.1 dB。设计的多层超材料吸波结构均具有极佳的宽频吸波特性;当R=11 mm时,圆形多层超材料结构的吸波性能最佳,反射率最低值为–53.9 dB,有效带宽为33.1 GHz,而平均反射率为–17.1 dB。此外对于TE极化的电磁波入射角在0°~60°范围内,而对于TM极化电磁波在入射角0°~70°范围内,圆形多层超材料结构具有宽角域吸波性能。结论 将碳纳米管与聚乳酸复合,在此基础上开展多层超材料结构设计,通过微观复合材料和宏观结构设计的共同作用,实现了轻质宽频的应用需求,能够为超材料吸波结构的设计及工程应用提供理论和技术支撑。

超材料结构增材制造技术及其应用研究进展

超材料结构因具有精确操控电磁波/声波的相位、传播模式等特性而在军事隐形及伪装、通讯、国防安全及医学成像等方面有着重要的科学研究价值和广泛的应用前景,它的研究是近年国际学术界和工程界研究的热点之一。总体来说,国内外超材料结构的研究极大地促使超材料结构器件向轻薄化、宽频带及高性能的实用化方向发展,但制造技术与电磁、声学、物理、材料等学科的交叉亟待加强,需要加速探索超材料结构研究向大规模制造跨越的实现途径,推动其快速向应用化方向发展。本文梳理了增材制造工艺在超材料结构制造中的应用现状,讨论了超材料结构功能器件方面的研究进展,并对今后超材料结构研究的发展趋势进行了探讨和展望。

蜂窝结构力学超材料弹性及抗冲击性能的研究进展

具有手性蜂窝结构的力学超材料是近年来发展起来的高性能工程材料,它具有轻质、高比刚度、负泊松比、结构参数可调以及力学性能稳定等优点。其不仅可以实现面内变形,面外承载的双重力学作用,还具有出色的隔振、吸声降噪以及控制弹性波的传播等工程应用潜质,在智能结构、车辆船舶、航空航天等领域具有巨大的发展潜力。本文从其弹性和抗冲击两个力学性能方面进行综述。首先介绍并评述了近年来蜂窝结构力学超材料的面内杨氏模量、负泊松比特性以及面外剪切模量等弹性性能的理论分析研究进展。在抗冲击性能方面,从力学模型建立和有限元分析的角度出发,对手性蜂窝结构力学超材料在冲击载荷作用下的整体变形及其抗冲击性能的研究现状分别进行了评述。最后指出针对蜂窝结构力学超材料弹性及冲击性能的研究,可进一步建立内部韧带变形及力的传递力学模型以及深入探索冲击过程吸能机理等,以期为该类力学超材料内部韧带和节点环结构的优化设计提供参考。

谷氨酸柱撑水滑石超分子结构层柱材料的插层组装

用返混沉淀方法实现了谷氨酸柱撑水滑石超分子结构层柱材料的插层组装 ,得到结晶度高、晶相单一且谷氨酸在层间有序排列的超分子结构层柱材料 .用 X射线衍射、原子光谱、元素分析、红外光谱及热重-差热分析表征了超分子结构层柱材料的结构 ,给出其结构模型 .

超材料吸波结构及其在真空电子器件中的应用

电真空器件面临着小型化、集成化的发展趋势。积极探索新型材料在电真空器件中的应用,实现小型化、集成化的电真空器件具有重要意义。超材料吸波结构具有小体积,易于加工等优点,将超材料吸波结构应用在电真空器件中,具有十分重要的应用前景。本文介绍了近几年超材料吸波结构的发展概况,并具体介绍了超材料吸波结构在行波管中的相应研究。

惯容超材料扭振隔振器理论和试验研究

针对目前超材料结构在低频抑振时质量和体积过大的问题,提出了惯容超材料扭振隔振器.首先设计了惯容超材料隔振器的具体结构,并分析了其相对于传统超材料隔振器的优点.其次分析了中介轮传动机制,在建立惯容超材料隔振器动力学方程的基础上,得出了惯容超材料隔振器能带结构图与超材料隔振系统传输曲线,并进一步探究从动金属盘直径及单胞数对惯容超材料隔振器抑振效果的影响,通过试验对所设计惯容超材料隔振器进行了扭振抑制的效果验证.结果表明,所设计惯容超材料隔振器最大振动衰减可达-60 dB,能够有效地抑制转子系统的低频扭转振动,从而满足实际工程需要.

基于气溶胶喷墨打印的太赫兹超材料结构仿真与制备研究

本文介绍了利用气溶胶喷墨打印技术制备太赫兹波段的准光学元件。通过采用CST软件设计了CRR金属共振环和THz带阻滤波器。通过实验数据与数值模拟数据的比较,可以得出气溶胶喷墨打印技术在太赫兹领域的适用性。

基于材料相变的声子晶体带隙可调结构设计与性能分析

提出一种基于材料相变的穿孔型带隙可调声子晶体结构。其结构形式为含缝隙的形状记忆合金和环氧树脂的组合体,通过温度变化诱发相变引起的形状记忆合金材料性质的变化,实现声子晶体的带隙变化;通过合理布置缝隙与形状记忆合金相变材料的位置,实现声子晶体带隙性质的可调设计。基于有限元方法,建立了可调声子晶体的分析模型,分析了形状记忆合金的填充分数以及相变等对带隙性能的影响规律。分析结果表明,通过合理设计微结构形式,材料相变可实现带隙位置和宽度的调节,同时可实现特定频段内带隙的有无。

超材料多级结构在太赫兹和可见光波段响应特性的研究

超材料是一种人工合成的二维超表面,具备负介电常数、负磁导率等天然材料所不具备的电磁响应。不同结构与尺寸的超材料具有不同的性能,因此超材料在生物医学、光学器件等领域有着广泛的应用。太赫兹超材料吸收器是一种将超材料应用于太赫兹波段的器件,该结构能够与自由空间阻抗相匹配,对特定频率范围内的入射电磁波能够有效的“完美吸收”。本文设计了设一款“川”字型的金属–介质–金属的“三明治”式的太赫兹超材料吸收器,利用有限元仿真软件进行建模与仿真优化,获得最优的太赫兹超材料吸收器在1~3 THz之间有一个在2.84 THz谐振吸收峰,在此频率处实现了对太赫兹波99.93%的“完美吸收”。为了进一步扩展太赫兹超材料吸收器的功能,将太赫兹超材料吸收器与金纳米颗粒相结合,即在其金属条带表面随机生长一定尺寸(30 nm~70 nm)的金纳米颗粒。仿真结果表明,对于大尺寸结构的太赫兹超材料吸收器来说,小尺寸的金纳米颗粒并不会减弱其在太赫兹波段的响应。此外,通过对超材料多级结构上的单个金纳米颗粒在可见光波段的研究发现,该结构在整个可见光波段均有响应,且增强因子均在10^4以上。因此,该超材料多级结构实现了在太赫兹和可见光波段均有响应,这对于太赫兹超材料吸收器应用广度的拓展有着一定的影响。

声学超表面研究及应用进展

声学超表面是基于广义斯涅尔定律,通过控制波前相位从而进行声波调控的新型人工结构,是声学超材料的重要分支,其新颖的调控机制和灵活的结构设计已经展现出广阔的应用前景。阐述了声学超表面的设计原理与相关研究进展,并对声学超表面有待解决的问题和发展趋势进行了探讨,对于波控结构的设计与制备实现具有指导意义。

能源存储与转化用微纳超结构碳:现状与建议

碳材料作为电极材料或关键组分在诸多能源存储与转化器件中发挥着不可或缺的作用。然而,传统碳材料存在的结构单一、富含缺陷和织构无序等问题严重制约了相关器件性能的提升,难以满足新能源和电动汽车产业的快速发展需求。针对上述问题,文章提出了微纳超结构碳的概念和设计思想,采用结构纳米化、复合化、有序化设计和功能导向组装,构建碳材料跨越“纳−微−宏”的多层次孔道、多尺度网络、多组分界面,获得具有“精准定制、层次有序、厚密联通、多相耦合”基本特征的微纳超结构碳。同时,文章全面综述了微纳超结构碳材料在能源存储与转换器件中应用的国内外最新研究进展,涵盖了锂/钠离子电池、超级电容器、固态电池、水系电池以及氢能转换技术等关键领域,并对未来储能用碳材料的发展方向和应用模式作出展望。

一种高增益Vivaldi超宽带天线

传统的Vivaldi天线具有超宽带优点,但存在定向性较差,且在工作频带的两端增益下降严重的问题。文中提出了一种高增益的Vivaldi天线,通过对传统微带线馈电结构的Vivaldi超宽带天线加载零折射率超常介质和轴向边缘梳状结构的矩形槽缝结构,提高了天线在整个工作频段内的增益。对所提出的天线进行了设计、优化和仿真分析,并制作天线样品,仿真和测试结果吻合良好。测试与仿真结果表明,在4~11 GHz的工作频段内,天线的回波损耗优于-10 d B;与传统Vivaldi天线相比,在整个工作频段内天线增益均有所提高,其中在工作频率的低端（4~6 GHz）天线增益提高2.5 d B,高端（9~11 GHz）增益提高1.5 d B。

0.14THz双环超材料慢波结构表面波振荡器数值研究

本文研究了一种太赫兹波段双环超材料慢波结构,并具有同轴引出结构的相对论过模表面波振荡器.设计了超材料同轴过模慢波结构;通过色散特性,进行了模式选择和过模结构电子束电参数和几何参数的设计;根据超材料同轴慢波结构的特点,设计了具有同轴引出结构的末端同轴输出段.粒子模拟结果表明,在电子束电压为600 kV和电流为1.0 k A,引导磁场为2.0 T时,同轴超材料慢波结构过模表面波振荡器输出稳定单频的0.141 THz电磁波,峰值功率为316.8 MW.

甲氨蝶呤柱撑水滑石超分子结构层柱材料的插层组装

用共沉淀和离子交换法将抗肿瘤类药物甲氨蝶呤(MTX)插层组装到水滑石层间,制备了一种新型的结晶度高、晶相单一且MTX在层间有序排列的超分子结构的药物-无机复合层柱材料.用XRD、原子光谱、元素分析、FT/IR、SEM及TG-DSC分析表征了超分子结构层柱材料的结构,并给出其结构模型.

一种熔融沉积3D打印的高性能超材料吸波结构

高性能超材料吸波结构是近年学术界和工程界研究的热点,它通过单元结构的周期阵列排布形成吸波超材料结构,实现超材料的吸波层与自由空间的阻抗匹配,大幅提高对电磁波的吸收率,在隐形技术、通信天线及微波成像等军事和民用领域具有广阔的应用前景。基于超材料阻抗匹配原理,提出了熔融沉积3D打印技术制备超材料吸波结构的方法,实现了一种由聚乳酸(Polylacticacid,PLA)单元空腔和具有优异电磁特性的蒸馏水复合组成的超材料结构的精确设计与制造,获得了在8.2~30.0GHz电磁波频带内具有90%以上吸波率的高性能超材料吸波结构。研究表明该超材料结构还具有良好的极化无关和宽角度吸波特性。所设计制造的超材料吸波结构具有性能强、厚度薄、质量小等诸多优异的特性,为推动高性能吸波结构的深入研究提供了一种新的思路。

溶胶-凝胶(Sol-gel)化学及其应用

介绍了溶胶-凝胶理论和技术的历史背景以及研究现状;评述了近年来在电学、光学、热学、化学以及复合材料等领域中的应用和发展前景,指出溶胶-凝胶化学在未来的超结构材料科学中必将起重要作用。

超材料结构的弹性波带隙主动调控研究进展

周期超材料结构由多个相同的子结构根据一定的规律性和周期性组成,具有特殊的力学特性,比如带隙.弹性波只能在特定的频带(通带)内沿超材料结构传播,而在其他频带(带隙或禁带)内的弹性波将被阻隔.利用带隙特性可以实现弹性波过滤、振动和噪声控制等,由此学者进行了大量的研究工作,希望获得各种具有更好带隙特性的超材料结构.然而在实际工程应用中,超材料结构的尺寸往往已被固定,频率带隙的宽度以及位置往往成为限制其实用性的问题.因此,分析超材料结构中弹性波带隙的主动调控具有重要的理论与实际意义,可以为周期结构的振动控制和减振设计提供理论依据.本文针对周期超材料结构,综述了其中弹性波带隙主动调控问题的研究现状,简述了近年来发展的弹性波带隙主动调控研究方法,介绍了热点的研究结果,并提出了值得进一步深入研究的问题.