基于AgNWs的多层吸波复合材料设计及其电磁性能研究

作     者：王治宇 

作者单位：中国民用航空飞行学院 

学位级别：硕士

导师姓名：赵欣;曾祥才

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：电磁超材料 透明吸波器 透明导电薄膜 银纳米线 

摘      要：通信设备的普及和电子技术的发展给人们的生活带来了更多的便捷,但与此同时,也产生了严重的电磁污染与安全隐患。在航空航天领域,民航客机受到电磁波干扰而导致飞机失联的事件时有发生,也多次出现过航天器被干扰后与地面出现通信中断的紧急情况,导致了严重的生命财产损失。因此,需要对重要的设备增添电磁防护措施。吸波材料被广泛的应用于该领域,传统的吸波材料难以满足所有的工作场景,而近年来兴起的电磁超材料在特殊的工作场景有着优异的效果。超材料作为一种人为设计的材料,具有传统吸波材料所不具有的超常物理特性,还兼具工作带宽灵活可调的优点。除此之外,诸如座舱玻璃,微波暗室观察窗口等一些特殊的工作场景要求吸波材料具有透光性,而传统的吸波材料难以满足此类需求。我们研究了一种基于银纳米线（AgNWs）的透明超材料吸波器,使其在具备良好吸波效率的同时兼具较高的透光性。本文的主要研究内容和结果如下: 首先,采用多元醇液相加热反应的路线,使用乙二醇作为还原剂,在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）选择性吸附与离子控制剂的配合下,制备得到了均匀且具有高纵横比的银纳米线。使用UV-vis光度计、SEM和XRD对AgNWs产物进行表征,探讨了反应温度、PVP分子量、PVP和AgNO含量比、离子控制剂浓度和反应时间等工艺参数对AgNWs产物形貌和纵横比的影响,并得到了实验工艺参数范围内的最佳的制备工艺。 其次,向AgNWs中加入增稠剂（HPMC）、表面活性剂（FS-3100）、流平剂（DAA）等添加剂制成导电油墨,通过搅拌混合工艺制备得到了一种具有良好光电性能的透明导电薄膜。采用旋转粘度计、接触角测量仪、四探针测量仪、AFM、UV-vis光度计、SEM等手段表征了油墨的动力粘度、油墨与PET基材之间的接触角、薄膜的方块电阻、表面粗糙度、透射光谱和表面形貌,揭示了油墨各个组分对薄膜的光电性能所产生的影响,得到优化的油墨配方是:HPMC（0.4wt%）+FS-3100（0.04wt%）+DAA（0.02wt%）+AgNWs（0.2wt%）+PEDOT:PSS（40 mg/ml）+去离子水。使用50μm的线棒涂布器进行涂布并干燥得到透明导电薄膜。该薄膜样品具有12.7Ω/sq的方块电阻和89.2%的光学透射率,其平均表面粗糙度R和均方根粗糙度R分别为4.59 nm和5.86 nm。弯折实验的结果表明,经过1000次180°弯曲循环后,薄膜弯折处的方块电阻由原来的12.7Ω/□增加到48.7Ω/□,仍具有良好的电学性能。 在上述研究基础上,基于多层导电结构所产生的谐振,通过叠加谐振频率拓宽工作带宽的原理设计并制备了一种宽带吸波的透明超材料吸波器,并通过CST电磁性能数值计算软件对其结构进行迭代优化。结果表明,所设计吸波器在4.08～16.01 GHz的频率范围内的电磁波吸收率高于90%,相对带宽高达118.8%,中心频率为10.05 GHz,具有良好的吸波性能,且极化不敏感。针对TE极化波和TM极化波,当入射角度小于30°时,该吸波体能保持较高的吸波效率,具有良好的入射角度稳定性。为了使阻抗层的导电图案更加精确,使用激光蚀刻的方法制备了表面蚀刻吸波器样品,并采用弓形法测试样品在1～18 GHz频率范围内的吸波效率,结果表明,实测吸波率结果与数值计算结果吻合度较高。通过UV-Vis光度计测得所制备吸波器在可见光频率范围内的透光率为60%。