北理工在化學(xué)電源與系統(tǒng)的反向設(shè)計取得研究進展
發(fā)布日期：2019-11-29 供稿：先進結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院
編輯：吳楠 審核：楊亞政 閱讀次數(shù)：
繼2018 年11月17日方岱寧院士研究團隊在著名材料學(xué)期刊 《先進功能材料》（Advanced Functional Materials, 2018, 1806383.）報道化學(xué)電源系統(tǒng)反向設(shè)計的電化學(xué)-力學(xué)-光學(xué)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(xué)》 Advanced Science, 2019, 1902162（期刊IF="15.804）在線報道了該研究團隊最新的化學(xué)電源系統(tǒng)反向設(shè)計成果：首次基于透明化學(xué)電源電解質(zhì)（第二類導(dǎo)體）設(shè)計多層光學(xué)可調(diào)電磁隱身結(jié)構(gòu)(Ionic" Conductive Gels for Optically Manipulatable Microwave Stealth Structures),。
光波透射結(jié)構(gòu)和作用窗口因為具有獨特的功能而在工業(yè)中廣泛的應(yīng)用引起了業(yè)界的關(guān)注,，追求智能技術(shù),、智能結(jié)構(gòu)及智能窗口可以隨著外界環(huán)境變化呈現(xiàn)出唯一變量,。5G通信技術(shù)（頻段I: 0.45–6 GHz; 頻段II: 24.25–40 GHz 或更高)）的應(yīng)用對電磁防護提出了更高的要求,。結(jié)合智能調(diào)控功能的微波隱身結(jié)構(gòu)具有很高的研究應(yīng)用價值,，同時實現(xiàn)微波吸收和光波透射成為智能微波隱身結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。通常設(shè)計中,，主要采用第一類導(dǎo)體（電子導(dǎo)體）設(shè)計透射率不可調(diào)控的隱身結(jié)構(gòu),。第二類導(dǎo)體（離子導(dǎo)體），更多是在化學(xué)電源電解質(zhì)中使用,，而其本征優(yōu)異的離子極化以及離子電導(dǎo)特性,，能夠賦予凝膠有效的極化損耗以及電導(dǎo)損耗，這類導(dǎo)體很少被電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究學(xué)者關(guān)注,。
圖1 光學(xué)透明凝膠及透明多層結(jié)構(gòu)設(shè)計,、制備與表征：(a)室溫下光學(xué)透明多層隱身結(jié)構(gòu)；(b) 不同凝膠在紫外可見光范圍內(nèi)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(shù)實部,；(f) 不同凝膠的介電常數(shù)實部,。
本研究團隊首次基于第二類光學(xué)透明導(dǎo)體，離子導(dǎo)體為極化以及損耗介質(zhì),，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(zhì)損耗方面對電磁波的衰減起著至關(guān)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(lián)氫鍵網(wǎng)絡(luò)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(xué)特性因為水溶性聚乙烯醇基凝膠具有溫度依賴的結(jié)晶變換能力而發(fā)生改變,。對復(fù)介電常數(shù)的研究表明液態(tài)和固態(tài)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(tài)相對于電磁波更加敏感從而產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),，在電磁場中極化程度會被抑制,，實現(xiàn)電磁參數(shù)的調(diào)控,。
圖2 基于光學(xué)可切換透明凝膠的300 X 300 mm2多層結(jié)構(gòu)設(shè)計與弓形法實測：基于最優(yōu)凝膠采用(a)單層凝膠與(b)雙層凝膠設(shè)計多層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化,；(e)弓形法實測多層透光隱身結(jié)構(gòu),；(f) 仿真設(shè)計結(jié)果與弓形法實測結(jié)果對比,。
通過篩選性能最優(yōu)凝膠,，通過多層透明結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種基于離子導(dǎo)體水凝膠的高透電磁隱身結(jié)構(gòu)，通過建模仿真與參數(shù)迭代優(yōu)化獲得了具有寬頻隱身特性的多層結(jié)構(gòu)（圖1）,?；趦?yōu)化設(shè)計結(jié)果，構(gòu)建了具有多層光學(xué)透明的寬頻隱身結(jié)構(gòu),，通過弓形法實測與仿真結(jié)果對比,，驗證了設(shè)計的電磁隱身結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的寬頻電磁隱身特性。同時,，溫度可調(diào)控的氫鍵網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)光透明與不透明的切換（圖3）,，并且在寬溫度下均能保持優(yōu)異的離子電導(dǎo)率，將凝膠電導(dǎo)損耗維持在一個較穩(wěn)定的溫度范圍,。在光透射率切換的同時,，該結(jié)構(gòu)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(dǎo)體,，集成微波吸收和光波透射功能的新型光學(xué)結(jié)構(gòu)取得了新突破,，同時還為開發(fā)新型可調(diào)控功能微波隱身結(jié)構(gòu)及智能光學(xué)結(jié)構(gòu)提出了新思路。
圖3 不同透光狀態(tài)下的多層隱身結(jié)構(gòu)進行性能實測：(a)室溫下光學(xué)透明多層隱身結(jié)構(gòu),；(b) -20攝氏度下光學(xué)不透明多層隱身結(jié)構(gòu),；(c)使用單層凝膠的多層隱身結(jié)構(gòu)的常溫透明狀態(tài)下實測電磁隱身性能；(d) 使用單層凝膠的多層隱身結(jié)構(gòu)的-20攝氏度下非透光狀態(tài)下實測電磁隱身性能,；(e) 使用雙層凝膠的多層隱身結(jié)構(gòu)的常溫透明狀態(tài)下實測電磁隱身性能,；(f) 使用雙層凝膠的多層隱身結(jié)構(gòu)的-20攝氏度下非透光狀態(tài)下實測電磁隱身性能；(g)溫度調(diào)控的透光實驗驗證,；(h) ?20~30 °C下凝膠的離子電導(dǎo)率,。
該研究工作在先進結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院首席科學(xué)家方岱寧院士指導(dǎo)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(xué)先進結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院（第一完成單位）和中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心,。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201902162
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