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  • 北理工在化学电源与系统的反向设计取得研究进展


      继2018 年11月17日方岱宁院士研究团队在著名材料学期刊 《先进功能材料》(Advanced Functional Materials, 2018, 1806383.)报道化学电源系统反向设计的电化学-力学-光学耦合仿生变色器件之后,11月27日,国际顶级综合性期刊《尖端科学》 Advanced Science, 2019, 1902162(期刊IF="15.804)在线报道了该研究团队最新的化学电源系统反向设计成果:首次基于透明化学电源电解质(第二类导体)设计多层光学可调电磁隐身结构(Ionic" Conductive Gels for Optically Manipulatable Microwave Stealth Structures)。

      光波透射结构和作用窗口因为具有独特的功能而在工业中广泛的应用引起了业界的关注,追求智能技术、智能结构及智能窗口可以随着外界环境变化呈现出唯一变量。5G通信技术(频段I: 0.45–6 GHz; 频段II: 24.25–40 GHz 或更高))的应用对电磁防护提出了更高的要求。结合智能调控功能的微波隐身结构具有很高的研究应用价值,同时实现微波吸收和光波透射成为智能微波隐身结构的关键挑战。通常设计中,主要采用第一类导体(电子导体)设计透射率不可调控的隐身结构。第二类导体(离子导体),更多是在化学电源电解质中使用,而其本征优异的离子极化以及离子电导特性,能够赋予凝胶有效的极化损耗以及电导损耗,这类导体很少被电磁结构设计的研究学者关注。

    图1 光学透明凝胶及透明多层结构设计、制备与表征:(a)室温下光学透明多层隐身结构;(b) 不同凝胶在紫外可见光范围内的透射光谱;(c)不同凝胶的制备配比;(d) 不同凝胶的黏度测试;(e) 不同凝胶的介电常数实部;(f) 不同凝胶的介电常数实部。

      本研究团队首次基于第二类光学透明导体,离子导体为极化以及损耗介质,采用水溶性聚乙烯醇作为吸波材料,研究水相聚乙烯醇基凝胶的微波吸收机理表明高极性水分子在介质损耗方面对电磁波的衰减起着至关重要的作用(如图1所示)。同时,加入具有羟基官能团和磷酸分子的聚乙烯醇聚合物,使水分子以交联氢键网络的形式具有一定的流动性。当温度降低到零度以下时,聚乙烯醇水溶液中的凝胶会变成多晶,从而形成具有散射光波能力的不透明凝胶。这种光学特性因为水溶性聚乙烯醇基凝胶具有温度依赖的结晶变换能力而发生改变。对复介电常数的研究表明液态和固态相的聚乙烯醇基凝胶极性分子对电磁波有不同的敏感度,其中液态相对于电磁波更加敏感从而产生更多的介电损耗,而半固体凝胶相因为具有更多牢固的氢键网络结构,在电磁场中极化程度会被抑制,实现电磁参数的调控。

    图2 基于光学可切换透明凝胶的300 X 300 mm2多层结构设计与弓形法实测:基于最优凝胶采用(a)单层凝胶与(b)双层凝胶设计多层结构的功率损耗密度分布;(c)采用单层凝胶与(d)采用双层凝胶的多层隐身结构优化;(e)弓形法实测多层透光隐身结构;(f) 仿真设计结果与弓形法实测结果对比。

      通过筛选性能最优凝胶,通过多层透明结构设计了一种基于离子导体水凝胶的高透电磁隐身结构,通过建模仿真与参数迭代优化获得了具有宽频隐身特性的多层结构(图1)?;谟呕杓平峁?,构建了具有多层光学透明的宽频隐身结构,通过弓形法实测与仿真结果对比,验证了设计的电磁隐身结构具有优异的宽频电磁隐身特性。同时,温度可调控的氢键网络实现光透明与不透明的切换(图3),并且在宽温度下均能保持优异的离子电导率,将凝胶电导损耗维持在一个较稳定的温度范围。在光透射率切换的同时,该结构的有效隐身频率范围(15-40 GHz)能够覆盖5G通信频段中的频段II部分,不仅通过拓展第二类透明导体,集成微波吸收和光波透射功能的新型光学结构取得了新突破,同时还为开发新型可调控功能微波隐身结构及智能光学结构提出了新思路。

      图3 不同透光状态下的多层隐身结构进行性能实测:(a)室温下光学透明多层隐身结构;(b) -20摄氏度下光学不透明多层隐身结构;(c)使用单层凝胶的多层隐身结构的常温透明状态下实测电磁隐身性能;(d) 使用单层凝胶的多层隐身结构的-20摄氏度下非透光状态下实测电磁隐身性能;(e) 使用双层凝胶的多层隐身结构的常温透明状态下实测电磁隐身性能;(f) 使用双层凝胶的多层隐身结构的-20摄氏度下非透光状态下实测电磁隐身性能;(g)温度调控的透光实验验证;(h) ?20~30 °C下凝胶的离子电导率。

      该研究工作在先进结构技术研究院首席科学家方岱宁院士指导下,陈明继副教授、陈浩森副教授、雷红帅副教授、宋维力副教授(一作)等共同合作完成。完成单位包括北京理工大学先进结构技术研究院(第一完成单位)和中国科学院空间应用工程与技术中心。

      文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201902162

     

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