本发明涉及吸波材料，具体涉及一种siboc陶瓷基吸波超材料及其制备方法。
背景技术：
1、随着无线通信技术的突破和雷达探测技术的快速发展，物联网、5g通信、人工智能、可穿戴电子设备、微波传感器、高性能雷达等领域应用了大量电子器件与设备。这些设备为社会发展和国防安全带来了革命性的变化，为智能时代的全面展开铺平了道路。然而大量电子设备的应用使得现代的工作生活环境中充满了各种波长的电磁波辐射，不可避免导致了日益严重的电磁污染。电磁污染的危害主要包括两个方面：1)对人体健康的负面影响，长期暴露于射频场会对身体健康产生严重的影响，尤其对神经系统、免疫系统、生殖系统危害严重。2)对电子设备的干扰，电磁污染会严重干扰通信系统和电子设备的安全运行，对信息安全造成严重威胁。目前电磁污染已被公认为是仅次于空气、水和噪音污染的第四大污染源。因此需要寻找长期有效避免电磁干扰的解决方案来保护人类健康及电子设备安全稳定工作。电磁波吸收材料(吸波材料)公认为是解决上述问题有效途径，已广泛应用于民用国防多个领域。
2、随着使用环境的日益复杂和性能需求的不断提高，寻求设计具有吸收频带宽、吸波性能强、轻质、稳定性强的吸波材料的制备方法成为研究的热点和重点。吸波超材料具有吸波性能可设计性强、轻质等诸多特点，陶瓷材料具有优异的强度高、硬度高、抗蠕变、热膨胀系数低、耐烧蚀、耐化学腐蚀、耐高温等优点，将吸波超材料与陶瓷材料结合可极大地拓展吸波材料电磁性能及服役性能设计的自由度。然而陶瓷材料具有硬且脆特性，难以通过便利的加工工艺实现复杂结构陶瓷的精准制备。3d打印技术可有效地解决复杂结构成型问题，为陶瓷吸波超材料发展提供了重要支撑。目前陶瓷3d打印主要以陶瓷粉体混合光固化聚合物的浆料成型为主，通过树脂固化实现粉体的成型，再经烧结脱脂得到陶瓷产物。然而高黏度的浆料难以实现快速高精度的打印，脱脂过程中也会形成孔隙、裂纹等缺陷，难以实现复杂结构陶瓷的精准制备。一种可基于3d打印技术，以实现具有复杂结构的高性能吸波超材料的设计与精准制备的陶瓷基吸波材料亟待开发。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种siboc陶瓷基吸波超材料及其制备方法，以解决现有传统陶瓷基吸波材料设计理念和加工工艺受到限制，难以实现陶瓷材料复杂结构的高精度加工及吸波性能调控的问题。
2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
3、一种siboc陶瓷基吸波超材料，由若干个平行排布的单元结构组成，单元结构为中空类球形多面体，中空类球形多面体上下垂直开孔，中空类球形多面体的半径为1.95-3.9mm，壁厚为0.2-0.4mm，上下垂直开孔的半径为0.3-1mm。
4、本发明的有益效果为：本发明siboc陶瓷基吸波超材料设计的基本理论依据是等效介质理论(effective media theory，emt)。其理论的核心在于将周期性的结构等效为均匀介质层进行近似计算，理论依据来源于衍射光学中小于波长的光栅结构与光波的相互作用。等效介质理论的意义在于当周期结构阵列的单元尺寸小于入射波长时，能够将超材料阵列等效成一层均匀介质材料，而介质材料的介电常数可通过超材料几何结构与材料本体电磁属性进行计算。
5、电磁场的数值分析方法本质是将离散化的麦克斯韦方程组转化为计算机程序进行数值求解的过程。采用基于有限积分法的cst studio suite仿真软件进行超材料的电磁响应特性数值仿真及结构设计和参数优化。在电磁仿真计算设置中，选择周期性单元方法，只模拟计算组成超材料的一个单元结构，此方法可极大的简化计算过程并缩短计算时间。采用周期边界条件(periodic boundary condition,pbc)模拟无限大的吸波超材料阵列结构。计算方法选择频域有限元法，边界为unit cell，floquet端口激励。因实际测试及计算rc过程基于金属背板模型，因此可将zmin的边界条件设置为电边界模拟金属层，在zmax上表面设置一个激励端口，在此条件下模拟计算结果只需关注s11参数。
6、本发明在cst软件中建立的仿真计算模型图如图1所示，其中a图为单元结构的边界条件设定以及定义的单元结构特征尺寸，b图为周期性边界条件下由单元结构组成的超材料阵列，单元结构为类球形中空上下垂直开孔的98面体结构，通过综合多面体结构、中空结构以及梯度渐变结构，本发明制得的siboc陶瓷基吸波超材料具备优异的吸波性能。同时，还可以通过调整单元结构的3个参数：外切圆半径r、壁厚w以及开孔半径q调整制得的siboc陶瓷基吸波超材料的有效吸收带宽范围。
7、进一步地，单元结构为98面体，98面体的半径为3.9mm，壁厚为0.4mm，上下垂直开孔的半径为1mm；或半径为2.55mm，壁厚为0.2mm，上下垂直开孔的半径为0.5mm；或半径为1.95mm，壁厚为0.2mm，上下垂直开孔的半径为0.3mm。
8、采用上述进一步技术方案的有益效果为：本发明通过采用优化算法的方式对单元结构的三个参数进行计算，模拟计算结果如图2所示。为保证有效吸收带宽尽量覆盖所测试波段全频率范围的情况下，本发明尽可能选择单元尺寸与对应测试波段的样品尺寸呈整数倍数关系的组合，以保证制备的样品单元结构的完整性。基于上述参数选择的原则和图2中的模拟计算结果，本发明得到了对应c波段(5.4～8.2ghz)的siboc陶瓷基吸波超材料的单元结构参数为r＝3.9mm，w＝0.4mm，q＝1mm；x波段(8.2～12.4ghz)的siboc陶瓷基吸波超材料的单元结构参数为r＝2.55mm，w＝0.2mm，q＝0.5mm；ku波段(12.4～18.0ghz)的siboc陶瓷基吸波超材料的单元结构参数为r＝1.95mm，w＝0.2mm，q＝0.3mm。通过上述三组参数组合下的siboc陶瓷基吸波超材料在对应测试波段下即可实现5.4～18ghz的全频段吸波。
9、进一步地，单元结构为siboc陶瓷。
10、采用上述进一步技术方案的有益效果为：本发明使用的siboc陶瓷材料是一种优秀的介电损耗性吸波材料，在具备吸波性能的同时还具有优异的耐高温性能。本发明基于此材料，结合dlp 3d打印工艺和吸波超材料的设计理念，将siboc陶瓷制备成了全介质吸波超材料，有效的提高了该材料的吸波性能，大幅度拓宽了该材料的有效吸波带宽，同时，中空的结构设计还能够显著的降低材料的质量。
11、上述的siboc陶瓷基吸波超材料的制备方法，包括以下步骤：
12、绘制吸波超材料的模型，通过3d打印制得siboc陶瓷基吸波超材料素胚，然后经固化后再高温裂解，制得。
13、本发明的有益效果为：本发明以siboc陶瓷前驱体为原料，通过dlp 3d打印工艺实现了全致密复杂结构的siboc陶瓷基吸波超材料的制备，具有快速、高效和低成本的特点。本发明在绘制siboc陶瓷基吸波超材料的模型时，按照siboc陶瓷在1100℃的固定收缩率，以最终产品的参数为模板进行放大，得到siboc陶瓷基吸波超材料的模型，然后再dlp 3d打印成型后经固化和高温裂解后，素胚结构线性收缩，得到预设尺寸的siboc陶瓷基吸波超材料，经多次制备测试，本发明固定收缩率计算准确，最终产品结构完全符合预期。
14、进一步地，3d打印的参数为：辐照强度10-20mw·cm-2，单层曝光时长5-7s，首层曝光时长7-9s，刮刀速率40-60mm·s-1。
15、进一步地，3d打印的参数为：辐照强度15mw·cm-2，单层曝光时长6s，首层曝光时长8s，刮刀速率50mm·s-1。
16、进一步地，固化的温度为40-50℃，辐照强度为90-110mw·cm-2，时间为20-40min。
17、进一步地，固化的温度为45℃，辐照强度为100mw·cm-2，时间为30min。
18、进一步地，高温裂解的参数为：在惰性气氛保护下，先以1-3℃·min-1的升温速率升温至140-160℃，保温0.5-1.5h；接着以1-3℃·min-1的升温速率升温至200-300℃，保温1-3h；再以1-2℃·min-1的升温速率升温至450-550℃，保温1-3h；然后以1-2℃·min-1的升温速率升温至650-750℃，保温1-3h；再以1-2℃·min-1的升温速率升温至1000-1200℃，保温2-4h；最后以1-3℃·min-1的降温速率降温至450-550℃，再自然冷却至室温。
19、进一步地，高温裂解的参数为：在ar气氛保护下，先以2℃·min-1的升温速率升温至150℃，保温1h；接着以2℃·min-1的升温速率升温至250℃，保温2h；再以1℃·min-1的升温速率升温至500℃，保温2h；然后以1℃·min-1的升温速率升温至700℃，保温2h；再以1℃·min-1的升温速率升温至1100℃，保温3h；最后以2℃·min-1的降温速率降温至500℃，再自然冷却至室温。
20、本发明具有以下有益效果：
21、(1)本发明以光敏陶瓷先驱体为原料，通过dlp 3d打印工艺实现了全致密复杂结构的siboc陶瓷基吸波超材料的高精度制备，具有快速、高效、低成本的优点。
22、(2)本发明使用的siboc陶瓷是一种优秀的介电耗损型吸波材料，在具备吸波性能的同时还具备优异的耐高温性能。本发明通过dlp 3d打印工艺和吸波超材料的设计理念，有效提高了该材料的吸波性能，拓展了该材料的有效吸波带宽。
23、(3)本发明制得的siboc陶瓷基吸波超材料在微波波段表现出明显的宽频吸波性能，计算机模拟仿真结果也表明该结构仅需要调整特征参数即可实现5.4～18ghz的全频段100％有效吸波。
24、(4)本发明制得的siboc陶瓷基吸波超材料单元结构为类球形的高度对称结构，吸波性能具备偏振不敏感性，在大范围入射角度内均能实现稳定吸波，具有较高的吸波性能稳定性。
1.一种siboc陶瓷基吸波超材料，其特征在于，由若干个平行排布的单元结构组成，所述单元结构为中空类球形多面体，所述中空类球形多面体上下垂直开孔，所述中空类球形多面体的半径为1.95-3.9mm，壁厚为0.2-0.4mm，上下垂直开孔的半径为0.3-1mm。
2.根据权利要求1所述的siboc陶瓷基吸波超材料，其特征在于，所述单元结构为98面体；所述98面体的半径为3.9mm，壁厚为0.4mm，上下垂直开孔的半径为1mm；或半径为2.55mm，壁厚为0.2mm，上下垂直开孔的半径为0.5mm；或半径为1.95mm，壁厚为0.2mm，上下垂直开孔的半径为0.3mm。
3.根据权利要求1或2所述的siboc陶瓷基吸波超材料，其特征在于，所述单元结构为siboc陶瓷。
4.权利要求1-3任一项所述的siboc陶瓷基吸波超材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的siboc陶瓷基吸波超材料的制备方法，其特征在于，所述3d打印的参数为：辐照强度10-20mw·cm-2，单层曝光时长5-7s，首层曝光时长7-9s，刮刀速率40-60mm·s-1。
6.根据权利要求5所述的siboc陶瓷基吸波超材料的制备方法，其特征在于，所述3d打印的参数为：辐照强度15mw·cm-2，单层曝光时长6s，首层曝光时长8s，刮刀速率50mm·s-1。
7.根据权利要求4所述的siboc陶瓷基吸波超材料的制备方法，其特征在于，所述固化的温度为40-50℃，辐照强度为90-110mw·cm-2，时间为20-40min。
8.根据权利要求7所述的siboc陶瓷基吸波超材料的制备方法，其特征在于，所述固化的温度为45℃，辐照强度为100mw·cm-2，时间为30min。
9.根据权利要求4所述的siboc陶瓷基吸波超材料的制备方法，其特征在于，所述高温裂解的参数为：在惰性气氛保护下，先以1-3℃·min-1的升温速率升温至140-160℃，保温0.5-1.5h；接着以1-3℃·min-1的升温速率升温至200-300℃，保温1-3h；再以1-2℃·min-1的升温速率升温至450-550℃，保温1-3h；然后以1-2℃·min-1的升温速率升温至650-750℃，保温1-3h；再以1-2℃·min-1的升温速率升温至1000-1200℃，保温2-4h；最后以1-3℃·min-1的降温速率降温至450-550℃，再自然冷却至室温。
10.根据权利要求9所述的siboc陶瓷基吸波超材料的制备方法，其特征在于，所述高温裂解的参数为：在ar气氛保护下，先以2℃·min-1的升温速率升温至150℃，保温1h；接着以2℃·min-1的升温速率升温至250℃，保温2h；再以1℃·min-1的升温速率升温至500℃，保温2h；然后以1℃·min-1的升温速率升温至700℃，保温2h；再以1℃·min-1的升温速率升温至1100℃，保温3h；最后以2℃·min-1的降温速率降温至500℃，再自然冷却至室温。
