近日，西北工業(yè)大學孔杰教授團隊在微波吸收-透波一體化超材料研究領域取得新進展，提出一種基于雙層超材料復合結構的高性能吸波-透波集成新策略，成功構建了具備低頻透波與高頻吸收功能的復合體系，在同時需要實現(xiàn)低頻通帶透波與高頻帶外吸收的應用場景中展現(xiàn)出重要潛力。
相關研究成果以“Integrated Electromagnetic Wave Absorption-Transmission via 3D-Printed Bilayered Metamaterial”為題，發(fā)表于Advanced Functional Materials期刊上。
為實現(xiàn)高質量無線通信并有效抑制電磁干擾，一種能夠集成信號傳輸與吸收功能的電磁調控技術近年來在軍民領域備受關注。該技術可在指定頻帶內高效傳輸有用信號，同時將帶外干擾電磁波吸收而非反射，從而顯著降低二次電磁污染，在提升通信質量的同時增強系統(tǒng)的隱身性能。將其應用于天線罩時，既能保障通帶內通信暢通，又能吸收并抑制帶外干擾。更重要的是，該吸收機制可大幅降低雷達散射截面，顯著提升目標的低可探測性，這對應對雙/多基地雷達系統(tǒng)具有重要意義。
針對這一需求，研究團隊提出一種創(chuàng)新的雙層復合結構，通過將三維超材料吸波體與頻率選擇表面有機結合，實現(xiàn)了高性能的吸波-透波一體化。團隊通過對材料組分與幾何結構進行協(xié)同調控，從而優(yōu)化阻抗匹配、抑制邊緣散射。該雙層結構總厚度僅為6毫米，在3.5–7 GHz頻段內實現(xiàn)高效信號傳輸，在12–18 GHz頻段內高效電磁波吸收，其綜合帶寬與厚度均優(yōu)于現(xiàn)有頻率選擇吸收體。
首先通過引入聚乙二醇二丙烯酸酯（PEG-DA）改性光固化聚合物基體，顯著提升了材料的光固化速度與交聯(lián)密度，從而克服了導電填料（EGaIn與CNTs）對光固化過程的負面影響。通過協(xié)同使用EGaIn與CNTs，成功構建了連續(xù)導電網(wǎng)絡，實現(xiàn)了高效的電磁波吸收性能，并借助微觀表征證實了填料在基體中的均勻分散與界面氧化態(tài)，為高性能3D打印電磁功能材料的制備提供了有效策略（圖1）。
圖1. 改性聚合物基體、導電組分及其復合材料的表征結果。(a) 改性基體的合成路徑示意圖。 (b) 改性基體及其與不同含量EGaIn復合材料的光聚合放熱過程熱流曲線。 (c) 含復合材料的掃描電鏡圖像，顯示兩者交織形成的明顯導電網(wǎng)絡結構。 (d) 復合材料的光固化流變行為。(e) 塊體材料橫截面的掃描電鏡及偽彩色元素分布圖。(f) 計算機斷層掃描分析。 (g) EGaIn微球尺寸分布圖
基于EGaIn-CNTs構建導電網(wǎng)絡并形成豐富的界面極化，EGaIn含量的增加可顯著提升復合材料的復介電常數(shù)，優(yōu)化阻抗匹配特性。其中含10 wt.% EGaIn的復合材料在2.3 mm厚度下實現(xiàn)了5.98 GHz的最大有效吸收帶寬，性能優(yōu)于低含量樣品。Cole-Cole分析表明，EGaIn的加入促使損耗機制從單一極化損耗轉變?yōu)闃O化與導電損耗協(xié)同作用，而整體衰減常數(shù)與阻抗匹配的協(xié)同優(yōu)化是獲得高性能寬帶微波吸收的關鍵（圖2）。
圖2. 電磁參數(shù)與吸波性能表征。(a) 不同含量的EGaIn的復合材料在2–18 GHz頻段內的復介電常數(shù)實部與虛部。(b) 不同EGaIn含量復合材料在2–18 GHz頻段內的介電損耗因子和歸一化輸入阻抗。理想阻抗匹配條件定義為|Zin/Z0|=1，以虛線標示。(c, d) 含10 wt.% EGaIn的代表性樣品在不同厚度下的三維電磁波吸收分布圖。(e) 含10 wt.% EGaIn代表性樣品在不同厚度下的反射損耗曲線。(f)不同含量EGaIn的三種復合材料在相同厚度（2.3 mm）下的吸收帶寬對比。(g) 不含EGaIn復合材料的Cole-Cole圖。 (h) 含10 wt.% EGaIn復合材料的Cole-Cole圖。(i) 含0 wt.%（紅色曲線）與10 wt.%（藍色曲線）EGaIn復合材料之間極化損耗和導電損耗的對比分析
通過系統(tǒng)仿真比較三種極小曲面超材料單元，發(fā)現(xiàn)Schwarz P結構在特定幾何參數(shù)（a=15 mm, c=12 mm）下能最佳平衡透波（2.3–4.0 GHz）與吸波（12.2–14.5 GHz）性能，其優(yōu)勢歸因于寬帶阻抗匹配能力及梯度空腔結構對電磁波的高效調控。該研究為設計高性能吸波-透波一體化超材料提供了有效的結構選型依據(jù)（圖3）。
圖3. 三種代表性極小曲面超材料單元的模擬S參數(shù)曲線，包括（a, b）Schwarz P結構和（c, d）Gyroid Gradient結構在2-18 GHz頻段內，隨水平方向（XY平面）與垂直方向（Z軸）尺寸縮放的變化
通過將Schwarz P超材料與耶路撒冷十字形FSS集成構建雙層超結構，成功實現(xiàn)了吸波-透波性能的協(xié)同優(yōu)化。實驗表明，該設計在3.5–7.0 GHz頻段實現(xiàn)高效透波（帶寬3.5 GHz），在12–18 GHz頻段實現(xiàn)強吸收（帶寬6 GHz）。相比現(xiàn)有吸波-透波一體化材料，該結構在帶寬綜合性能與厚度方面均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢（圖4）。
圖4. 雙層超材料的制備與性能評估。(a, b) 制備的雙層超材料（16 × 16 × 0.6 cm3）的照片圖像。(c) 雙層超材料在2-18 GHz頻段內模擬（虛線）與實測（實線）的S11/S21參數(shù)曲線。(d) 雙層超材料的透波、反射及吸收效率曲線。(e) 本工作雙層超材料與其他已報道的吸波-透波一體化超材料的吸收頻段與透波頻段對比圖。(f) 三維雷達對比圖
雙層超材料借助Schwarz P結構的梯度空腔設計，有效優(yōu)化了阻抗匹配性能，史密斯圓圖也證實該結構能顯著提升材料的阻抗匹配。底層頻率選擇表面（FSS）負責實現(xiàn)對電磁波的選擇性透射與反射功能：在低頻條件下，電磁波可高效穿透整個系統(tǒng)；而在高頻段，通過反射效應，能量被有效局域于吸波層中，并經由導電網(wǎng)絡、界面極化等多種機制實現(xiàn)耗散。通過通信信號透傳與Ku波段吸熱效應，直觀證實了雙層超材料能有效集成透波與吸波功能：在通信頻段實現(xiàn)高效信號傳輸且?guī)缀醪划a生溫升，在吸波頻段則快速將電磁能轉化為熱能。這一結果為該材料在多功能集成電磁系統(tǒng)中的應用提供了有力支撐。
本研究基于EGaIn-CNTs復合材料成功實現(xiàn)了吸波-透波一體化功能，展現(xiàn)出卓越的低頻透過與高頻吸收性能。該工作提出了一種可擴展的復合結構新方案，突破了傳統(tǒng)設計中吸波與透過性能的相互制約，為發(fā)展兼具可靠通信與隱身能力的新一代智能天線罩奠定了堅實的技術基礎。
該項工作得到國家杰出青年科學基金、國家重點研發(fā)計劃等資助。西北工業(yè)大學化學與化工學院博士生孫寒旭為第一作者，孔杰教授為通訊作者。
全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202531190
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