超材料因具有超越自然材料的物理性質(zhì)而備受研究者的關(guān)注。超材料的性能由結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料體系固有屬性所決定。因此,篩選合適的材料體系和優(yōu)化結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計是其性能提升的兩大重要策略。隨著材料體系方面研究的逐漸完善,對結(jié)構(gòu)單元設(shè)計的優(yōu)化是有效提升超材料性能的關(guān)鍵。傳統(tǒng)超材料受到頻段窄、結(jié)構(gòu)單一及由此導(dǎo)致的性能欠缺等局限,因此,需要發(fā)展更有效的新的超結(jié)構(gòu)設(shè)計思路和策略。分形幾何結(jié)構(gòu)因具有自相似性、跨尺度對稱性、非整數(shù)維度特性等獨特的幾何性質(zhì)而成為一種重要的超結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則。近年來,以分形結(jié)構(gòu)為中心的設(shè)計理念逐漸形成,并應(yīng)用于超材料的設(shè)計之中。分形幾何結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于電磁學(xué)超材料、聲學(xué)超材料、力學(xué)超材料等諸多領(lǐng)域,其帶來的優(yōu)勢也日益彰顯。分形結(jié)構(gòu)的引入實現(xiàn)了多頻、寬帶、小型化、集成化等目標(biāo),顯著提升了超材料多方面的性能,在超材料設(shè)計及應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。本文歸納了分形結(jié)構(gòu)在超材料結(jié)構(gòu)單元設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀,首先介紹了分形幾何的概念,舉例分析了分形超材料在不同應(yīng)用領(lǐng)域中的優(yōu)勢及貢獻,總結(jié)了分形超材料常用的合成方法,最后對分形超材料面臨的主要挑戰(zhàn)及未來發(fā)展方向進行了展望。 

【文章來源】：材料導(dǎo)報. 2020,34(21)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

一種簡單的分形吸波超材料[13]:(a)二階分形樹超材料結(jié)構(gòu);(b)不同偏振角度下吸收率的模擬值;(c)不同共振模式下電場分布(電子版為彩圖)

將不同級數(shù)的分形結(jié)構(gòu)組合同樣是一種拓寬工作頻段的策略，相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)單元的平鋪，分形結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)緊湊，可以在保留吸收峰強度的同時實現(xiàn)寬帶吸收。Kenney等[22]將不同級數(shù)的十字分形結(jié)構(gòu)組合，構(gòu)建了一種吸收率高達93%的寬帶吸收且偏振不敏感的超表面吸波器，如圖2所示。該吸收器的平均吸收率達到83%，半高峰寬拓寬了45%，是當(dāng)時性能最佳的平面太赫茲吸波器。通過將其與輻射探測器、半導(dǎo)體探測器等探測器集成，能夠設(shè)計出高效的太赫茲傳感裝置。分形共振結(jié)構(gòu)的引入為設(shè)計帶來了額外的自由度，但也存在一些局限，比如結(jié)構(gòu)的尺寸會限制分形結(jié)構(gòu)的最大級數(shù);填充因子的大小會受到分形諧振器的排布影響等。2.2 天線超材料

陣列天線由于互耦干擾的存在通常無法形成致密排列，采用分形結(jié)構(gòu)可以有效地解耦，并減小陣列。Xu等[26]基于Hilbert分形曲線，設(shè)計一種單負(fù)磁波導(dǎo)電磁超材料，如圖3d所示。通過采用分形結(jié)構(gòu)，這種超材料實現(xiàn)了較寬的帶隙以及較高的解耦效率，有效地減小了天線陣列，為超級性能的新型天線的研究開辟了道路。Mohammad等[27]基于分形結(jié)構(gòu)，在天線元件之間插入具有分形結(jié)構(gòu)槽的十字結(jié)構(gòu)組件，如圖3e所示，在不降低增益的情況下，將相鄰元件距離降低至半波長，有利于不同元件之間的緊湊設(shè)計。這是由于復(fù)雜的分形結(jié)構(gòu)拓寬了電磁帶隙，有效阻斷陣列中相鄰輻射單元電磁相互作用產(chǎn)生的表面電流，降低對陣列遠場的破壞，進而減小陣列中單元的間距。這種解耦結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于多輸入、多輸出系統(tǒng)以及合成孔徑雷達的緊密封裝的貼片天線陣列之中。2.3 聲學(xué)超材料


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