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一種電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)

閱讀：39發(fā)布：2020-05-12

專利匯可以提供一種電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)專利檢索，專利查詢，專利分析的服務(wù)。并且本 發(fā)明 提出一種電磁 輻射 屏蔽 結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外來 電磁輻射 的寬頻帶、高效率屏蔽。該電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)包括自下向上依次設(shè)置的 支撐 層、金屬層以及納米復(fù)合層；金屬層的厚度大于待屏蔽電磁輻射的穿透深度，金屬層的厚度大于或等于基底的厚度；納米復(fù)合層的主體為基底，其中填充有金屬納米顆粒，金屬納米顆粒的體填充因子在5～30％范圍，金屬層和納米復(fù)合層的厚度以及材料配置滿足電磁輻射在微結(jié)構(gòu)中的等離激元自約束效應(yīng)。本發(fā)明的這種疊層式納米結(jié)構(gòu)，通過電磁輻射在微結(jié)構(gòu)中的等離激元自約束效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)外來電磁輻射的寬頻帶、高效率屏蔽。，下面是一種電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)專利的具體信息內(nèi)容。

1.一種電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括自下向上依次設(shè)置的支撐層(1)、金屬層(2)以及納米復(fù)合層；所述金屬層的厚度大于待屏蔽電磁輻射的穿透深度，金屬層(2)的厚度大于或等于基底(3)的厚度；所述納米復(fù)合層的主體為基底(3)，其中填充有金屬納米顆粒(4)，金屬納米顆粒的體填充因子在5～30％范圍，金屬層和納米復(fù)合層的厚度以及材料配置滿足電磁輻射在微結(jié)構(gòu)中的等離激元自約束效應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述納米復(fù)合層的厚度在幾十至幾百納米量級(jí)，所述金屬層的厚度在幾十至幾百納米量級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述基底的材料為聚四氟乙烯、氟化鈣或氟化鎂。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述金屬層的材料為金、銀或鋁。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述金屬納米顆粒的材料為金或銀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述支撐層為石英玻璃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)，其特征在于：待屏蔽電磁輻射波長為300-
800nm，則所述金屬層為厚度25nm的金薄膜，基底為厚度20nm的聚四氟乙烯，金屬納米顆粒為銀顆粒，直徑在幾個(gè)納米量級(jí)。

說明書全文

一種電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)

技術(shù)領(lǐng)域

[0001] 本發(fā)明屬于電磁技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

[0002] 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁波輻射對(duì)環(huán)境的影響日益增大。在機(jī)場飛機(jī)航班因電磁波干擾無法起飛而誤點(diǎn)；在醫(yī)院、移動(dòng)電話常會(huì)干擾各種電子診療儀器的正常工作。因此，治理電磁污染，尋找一種能削弱乃至屏蔽電磁波輻射的材料，已成為電磁技術(shù)領(lǐng)域的一大課題。在工程應(yīng)用上，除要求該類材料在較寬頻帶內(nèi)對(duì)電磁波具有高的吸收率外，還要求它具有質(zhì)量輕、耐溫、耐濕、抗腐蝕等性能。
[0003] 當(dāng)前，按材料成型工藝，吸波材料可分為涂覆型和結(jié)構(gòu)型；而按損耗機(jī)制，吸波材料又可分為電阻型、電介質(zhì)型及磁介質(zhì)型。
[0004] 對(duì)于電阻型吸波材料，其損耗主要來源于電導(dǎo)損耗。導(dǎo)電載流子在材料內(nèi)部定向漂移，形成傳導(dǎo)電流，以熱能的形式將入射的電磁波損耗掉，主要代表物質(zhì)為炭系物質(zhì)(如炭黑、石墨、碳纖維、納米碳管等)、非磁性金屬微粉、導(dǎo)電高分子等。
[0005] 對(duì)于電介質(zhì)型吸波材料，其損耗主要來源于介質(zhì)弛豫極化及諧振損耗，主要代表物質(zhì)為陶瓷材料，如BaT?iO3、金屬氧化物、氮化鐵、S?i?C、S?i/C/N等。
[0006] 對(duì)于磁介質(zhì)型吸波材料，其損耗主要來源于磁損耗，主要包括趨膚效應(yīng)引起的渦流損耗、磁滯損耗和磁后效等引起的剩余損耗，主要代表物質(zhì)為鐵氧體、羰基鐵、氮化鐵、磁性金屬粉末等。
[0007] 另外，目前基于超材料的吸波材料技術(shù)研究也備受關(guān)注。超材料是指一類具有天然材料所不具備的超常電磁性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。2008年研究人員基于超材料的概念提出了電磁波“完美吸收器”的概念。它通過設(shè)計(jì)材料的關(guān)鍵物理尺寸設(shè)計(jì)電磁諧振結(jié)構(gòu)，使電磁波的電磁分量產(chǎn)生耦合，從而對(duì)特定極窄頻帶內(nèi)的電磁波實(shí)現(xiàn)高效吸收。但基于超材料設(shè)計(jì)的吸波材料必然受到超材料本身諧振特性的影響，帶來作用頻段窄、對(duì)入射角度敏感等缺點(diǎn)，成為制約超材料吸波技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸技術(shù)。該領(lǐng)域當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)是探索寬頻帶、高效率吸波材料技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

[0008] 本發(fā)明提出一種電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外來電磁輻射的寬頻帶、高效率屏蔽。
[0009] 本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案如下：
[0010] 該電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)包括自下向上依次設(shè)置的支撐層、金屬層以及納米復(fù)合層；所述金屬層的厚度大于待屏蔽電磁輻射的穿透深度，金屬層的厚度大于或等于基底的厚度(差值范圍與待屏蔽電磁輻射波長有關(guān))；所述納米復(fù)合層的主體為基底，其中填充有金屬納米顆粒，金屬納米顆粒的體填充因子在5～30％范圍，金屬層和納米復(fù)合層的厚度以及材料配置滿足電磁輻射在微結(jié)構(gòu)中的等離激元自約束效應(yīng)。
[0011] 基于以上方案，本發(fā)明還作出具體優(yōu)化如下：
[0012] 上述納米復(fù)合層的厚度在幾十至幾百納米量級(jí)，所述金屬層的厚度在幾十至幾百納米量級(jí)。
[0013] 金屬層可選材料有：金，銀，鋁等。
[0014] 基底可選材料有：聚四氟乙烯，氟化鈣，氟化鎂等。
[0015] 金屬納米顆粒可選材料：金，銀等。
[0016] 支撐層通常采用石英玻璃。
[0017] 例如：待屏蔽電磁輻射波長為300-800nm，最佳匹配參數(shù)為：所述金屬層為厚度25nm的金薄膜，基底為厚度20nm的聚四氟乙烯，金屬納米顆粒為銀顆粒，直徑在幾個(gè)納米量級(jí)。
[0018] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的疊層式納米結(jié)構(gòu)，通過電磁輻射在微結(jié)構(gòu)中的等離激元自約束效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)外來電磁輻射的寬頻帶、高效率屏蔽。具體優(yōu)點(diǎn)如下：
[0019] 1.這種納米疊層式電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)，采用基于不同空間表面等離子體波相互干涉的“體等離子體”技術(shù)，可有效抑制電磁輻射屏蔽特性對(duì)入射角度的敏感性，因而具有寬頻帶、高效率的優(yōu)點(diǎn)。
[0020] 2.這種納米疊層式電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)，其“體等離子體”技術(shù)是金屬層和納米復(fù)合層中表面等離子體波相互干涉的效果，因而其屏蔽特性的設(shè)計(jì)更具靈活性和調(diào)諧性。
[0021] 3.這種納米疊層式電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)，可作為其他更復(fù)雜結(jié)構(gòu)電磁輻射屏蔽技術(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和借鑒，如引入更多金屬層或者納米復(fù)合層，因而具備普適性和代表性。附圖說明
[0022] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖2為體填充因子為7％的納米疊層結(jié)構(gòu)的反射率。
[0024] 圖3為體填充因子為7％的納米疊層結(jié)構(gòu)的透過率。
[0025] 圖4為體填充因子為13％的納米疊層結(jié)構(gòu)的反射率。
[0026] 圖5為體填充因子為13％的納米疊層結(jié)構(gòu)的透過率。
[0027] 圖6為體填充因子為17％的納米疊層結(jié)構(gòu)的反射率。
[0028] 圖7為體填充因子為17％的納米疊層結(jié)構(gòu)的透過率。
[0029] 圖8為體填充因子為23％的納米疊層結(jié)構(gòu)的反射率。
[0030] 圖9為體填充因子為23％的納米疊層結(jié)構(gòu)的透過率。
[0031] 圖10為納米疊層結(jié)構(gòu)的透過率特性與入射角度的依賴性(體填充因子為23％)。

具體實(shí)施方式

[0032] 如圖1所示，本發(fā)明的電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)自下向上依次包括：支撐層1、金屬層2、基底3和金屬納米顆粒4，其中基底3和金屬納米顆粒4構(gòu)成納米復(fù)合層，厚度在幾十至幾百納米量級(jí)，其中金屬納米顆粒的體填充因子在5～30％(即體積分?jǐn)?shù))范圍。金屬層厚度要大于待屏蔽電磁輻射的穿透深度，常在幾十至幾百納米量級(jí)。
[0033] 當(dāng)電磁輻射入射到該復(fù)合結(jié)構(gòu)最外層時(shí)，電磁輻射將在納米復(fù)合層中的金屬納米顆粒表面引發(fā)表面等離子效應(yīng)，從而在該復(fù)合層中形成局域化和非局域化等離子體波。同時(shí)，該電磁輻射也將在金屬層2與基底3界面處形成等離激元表面等離子體波。上述兩種等離子波將發(fā)生干涉相消作用，使得絕大多數(shù)入射電磁波被囚禁在該疊層式納米結(jié)構(gòu)中，從而達(dá)到屏蔽外來電磁輻射的技術(shù)效果。相對(duì)于傳統(tǒng)的表面等離子體技術(shù)，該技術(shù)實(shí)質(zhì)是“體等離子體”技術(shù)。
[0034] 由于等離激元表面等離子體波的產(chǎn)生對(duì)材料表面特性的依賴性，對(duì)外來電磁輻射的屏蔽效果也決定于該結(jié)構(gòu)本身的特性，如金屬層和基底材料、厚度以及其中金屬納米顆粒的體填充屬性等。
[0035] 以下給出一個(gè)具體實(shí)例：支撐層1為石英玻璃；金屬層2為厚度25nm金薄膜；基底3為厚度20nm聚四氟乙烯；金屬納米顆粒4為銀顆粒，直徑在幾個(gè)納米量級(jí)。待屏蔽電磁輻射波長為300-800nm。
[0036] 對(duì)于該納米疊層式電磁輻射屏蔽結(jié)構(gòu)，我們分析了電磁輻射垂直入射納米復(fù)合層表面時(shí)，具有不同金屬納米顆粒體填充因子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所具有的電磁屏蔽特性。分析結(jié)果分別如圖2至圖9所示。
[0037] 由圖可知，體填充因子參數(shù)的設(shè)置直接決定著結(jié)構(gòu)整體的反射率和透過率特性：當(dāng)納米金屬顆粒體填充比例較低時(shí)，納米復(fù)合層中沒有形成有效的等離子體波，導(dǎo)致降低了對(duì)外來電磁輻射的囚禁作用，因而透過率較高、屏蔽效果較差；而當(dāng)體填充達(dá)到合適比例
23％時(shí)，該結(jié)構(gòu)具有極低的電磁輻射透過率，在300-800nm頻段均低于15％，意味著良好的電磁輻射屏蔽效果。同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米金屬顆粒體填充比例繼續(xù)提高時(shí)，電磁輻射透過率接近飽和，上下浮動(dòng)很小。
[0038] 該結(jié)構(gòu)的電磁輻射屏蔽特性與電磁輻射入射角度的依賴關(guān)系如圖10所示。由于該結(jié)構(gòu)采用的是基于不同空間表面等離子體波相互干涉的“體等離子體”技術(shù)，因此可有效抑制電磁輻射屏蔽特性對(duì)入射角度的敏感性。
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