IF：36.3！基于3D聚合環(huán)形微流道元原子的寬帶超材料吸波體，電子科大突破性成果登《Nano-Micro Letters》

電磁(EM)超材料吸波材料(MMA)代表了一類(lèi)具有變革性的人工工程材料，能以傳統(tǒng)吸波材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式調(diào)控電磁波。傳統(tǒng)吸波材料的電磁吸收特性通常由其固有介電損耗特性所決定。具有寬帶吸收的MMA在無(wú)線通信、雷達(dá)隱身、電磁干擾屏蔽和光學(xué)隱身等各種應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，MMA的性能目前面臨雙重制約。首先，固有特性往往導(dǎo)致共振吸收被限制在較窄的吸收帶寬和頻率較低的微波頻段。其次，隨著MMA的結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的制造技術(shù)往往難以實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，受到材料和工藝兼容性的限制。因此，寬帶MMA開(kāi)發(fā)的核心挑戰(zhàn)在于單元晶胞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可制造性，以實(shí)現(xiàn)寬帶和強(qiáng)吸收特性。

近期，電子科技大學(xué)的張曉升教授、張翼教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際著名期刊《Nano-Micro Letters》上在線發(fā)表題為“Annular Microfluidic Meta?Atom Fusion?EnabledBroadband Metamaterial Absorber”的原創(chuàng)性論著。該研究通過(guò)單元晶胞為3D聚合環(huán)形微流道元原子（FAMMA）的超材料吸波體在W波段展現(xiàn)出寬帶電磁吸收性能。該文章提出了一種新型的3D打印液基超材料吸波體，三種環(huán)形微流道元原子正交聚合形成內(nèi)部有液體填充的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)陣列，通過(guò)摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)技術(shù)3D打印加工制備（microArch?S240，精度：10μm），利用獨(dú)特的三維正交結(jié)構(gòu)的固液耦合協(xié)同效應(yīng)在75-110 GHz實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的寬帶吸收。這項(xiàng)工作為寬帶MMA建立了新的設(shè)計(jì)理念，為未來(lái)毫米波通信、電磁屏蔽、雷達(dá)隱身等應(yīng)用開(kāi)辟了新的途徑。

首先，作者為了獲得所需電磁共振特性的MMA單元晶胞，如圖1a-c所示，設(shè)計(jì)了幾何結(jié)構(gòu)和材料上相同、僅排布方式不同的A、B、C三種環(huán)形水原子分別產(chǎn)生不同的共振吸收電磁響應(yīng)。通過(guò)三種環(huán)形微流體元原子不同方向上的共振單元堆疊和擴(kuò)展，得到正交聚合FAMMA(圖1d-e)，共振峰疊加進(jìn)一步擴(kuò)寬吸收帶寬。電磁波入射到FAMMA表面的傳播過(guò)程如圖1所示。圖1g-i的模擬結(jié)果表明了FAMMA具有偏振不敏感特性和廣角入射特性。圖1j-k對(duì)三種不同模型的雷達(dá)散射截面RCS分布進(jìn)行比較分析，充滿水的FAMMA對(duì)雷達(dá)回波的衰減明顯更強(qiáng)，突出了FAMMA具有很強(qiáng)的電磁波衰減能力。

圖1. FAMMA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真的電磁吸收性能。

然后，作者通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)FAMMA的電磁吸收機(jī)理進(jìn)行分析，通過(guò)模擬不同的結(jié)構(gòu)模型來(lái)驗(yàn)證水基FAMMA在吸收電磁波方面的優(yōu)越性。與填充樹(shù)脂或平面水層的模型相比，F(xiàn)AMMA表現(xiàn)出了最優(yōu)異的寬帶吸收，其最小反射損耗（RLmin）可低至近-50dB，圖2a表明FAMMA的這種優(yōu)異的寬帶吸收來(lái)自于正交水環(huán)與樹(shù)脂結(jié)構(gòu)之間的耦合作用。阻抗匹配理論表明，當(dāng)MMA的特征阻抗與自由空間阻抗匹配越高，吸波效果越好。如圖2b-d所示，作者采用S參數(shù)反演法計(jì)算了FAMMA整體的等效電磁參數(shù)（ε、μ、n），并由模擬的S參數(shù)計(jì)算了FAMMA的歸一化阻抗Z。為了進(jìn)一步闡明FAMMA的電磁吸收機(jī)制，在88.12GHz處對(duì)電磁場(chǎng)分布和能量耗散進(jìn)行了全波模擬，從電場(chǎng)分布、磁場(chǎng)分布、能量損失密度分布等方面進(jìn)行了更深入的機(jī)理分析（圖2e-f）。

圖2. 通過(guò)數(shù)值模擬分析FAMMA電磁吸收機(jī)理。

FAMMA的主要幾何尺寸參數(shù)（Geometric Dimensions）包括總厚度(H)、單胞周期(P)以及環(huán)形微流控通道的內(nèi)徑(r)和外徑(R)、微流道直徑（D）。通過(guò)參數(shù)掃描系統(tǒng)地研究了這些參數(shù)對(duì)電磁吸收性能的影響，從掃描結(jié)果確定了三個(gè)具有代表性的幾何尺寸設(shè)計(jì) (圖3)。幾何尺寸Ⅰ(GDⅠ)的FAMMA吸波器件可實(shí)現(xiàn)超低RL，其RLmin約為-50dB，EAB為20.8GHz；GDⅡ的吸收相對(duì)較弱，RLmin約為-20dB，但可實(shí)現(xiàn)超寬帶吸收，其EAB幾乎覆蓋整個(gè)W波段；GDⅢ整體呈現(xiàn)雙頻吸收，在高頻(100.02~107.62GHz)和低頻(75~86.48GHz)都有較強(qiáng)的吸收。

圖3. 幾何尺寸不同參數(shù)（GD I、GD II、GDIII）對(duì)于電磁吸收性能的影響。

在完成仿真設(shè)計(jì)和分析后，作者利用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)技術(shù)（microArch?S240，精度：10μm）3D打印加工制備了基于FAMMA的整體器件，通過(guò)真空輔助輸液將水進(jìn)行填充。該器件為10×10陣列，總體尺寸為4.0mm×4.0mm×3.6mm(L×W×H)(圖4a)。橫截面的SEM圖像揭示了FAMMA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，證實(shí)可以成功制備中空的、三維正交聚合的環(huán)形微通道。高精度的PμSL 3D打印機(jī)準(zhǔn)確地再現(xiàn)了幾何設(shè)計(jì)，尺寸誤差一般為1%，但環(huán)形內(nèi)徑r的誤差略高，為2.4%(圖4b)。這一精度水平滿足了W波段電磁波吸收測(cè)試的要求。在微波暗室中采用自由空間法測(cè)量了器件的吸波效果，RL的測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果有較好的一致性。將本文提出的設(shè)計(jì)與已經(jīng)報(bào)道的水基MMA進(jìn)行了關(guān)鍵指標(biāo)的比較(圖4f)。相比之下，大多數(shù)已報(bào)道的水基MMA主要工作在40GHz以下，通常需要更厚的結(jié)構(gòu)才能獲得類(lèi)似的吸收性能。而FAMMA在輕薄的設(shè)計(jì)下展現(xiàn)出的RL達(dá)到了?40dB以下，這種優(yōu)異電磁吸收性能歸功于獨(dú)特的元原子聚合策略和微納3D打印制造。

圖4. FAMMA器件的3D打印制造和吸波測(cè)試結(jié)果以及與其他工作的性能比較。

最后，為了評(píng)估FAMMA在雷達(dá)隱身應(yīng)用中的潛力，作者通過(guò)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量了W波段的回波功率來(lái)評(píng)估其吸收電磁能量的能力(圖5a-b)。FAMMA器件相較于金屬板能夠產(chǎn)生18.1dBm的電磁衰減。在隱身實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，將FAMMA吸波器件安裝在模型汽車(chē)（圖5d）和模型戰(zhàn)斗機(jī)（圖5e）上。雷達(dá)探測(cè)器用于識(shí)別范圍內(nèi)的物體，紅色指示燈表示雷達(dá)正在運(yùn)行，綠燈表示探測(cè)成功。圖di-iv的結(jié)果對(duì)比顯示，在四種不同的實(shí)驗(yàn)條件下，只有用FAMMA器件遮擋模型車(chē)可以不被探測(cè)到通過(guò)雷達(dá)區(qū)。此外，一種調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)成像系統(tǒng)比較了四種條件下的隱身性能，如圖5ei-iv所示，只有充滿水的FAMMA器件顯示出強(qiáng)大的雷達(dá)隱身能力，模型戰(zhàn)斗機(jī)的遮擋部分從雷達(dá)圖像中完全消失，而未屏蔽的尾部仍然清晰可見(jiàn)。這些實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了FAMMA吸波器件具有優(yōu)越的雷達(dá)隱身能力，證明了其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖5. FAMMA的雷達(dá)隱身應(yīng)用展示。

總結(jié)：張曉升教授、張翼教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)聚合3D微流控環(huán)狀元原子（FAMMA）開(kāi)發(fā)了一種新型的電磁超材料，使用摩方微納3D打印技術(shù)精確制造FAMMA微流體陣列，在W波段實(shí)現(xiàn)有效阻抗匹配并產(chǎn)生高效的寬帶吸收。SEM結(jié)果證實(shí)，關(guān)鍵幾何尺寸的結(jié)構(gòu)保真度高，制造誤差低。通過(guò)全波模擬闡明了FAMMA的電磁吸收和能量耗散機(jī)理，并通過(guò)參數(shù)掃描對(duì)FAMMA的幾何設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好吻合。此外，團(tuán)隊(duì)還通過(guò)數(shù)值模擬研究了FAMMA在不同溫度和入射角度下的吸收性能，結(jié)果表明其具有良好的溫度和極化不敏感性以及廣角入射特性。最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其能顯著抑制雷達(dá)回波，防止被雷達(dá)探測(cè)器和FMCW雷達(dá)成像系統(tǒng)捕獲，具有出色的雷達(dá)隱身性能。這一研究結(jié)果為在高速通信、汽車(chē)輔助駕駛、穿透墻傳感和無(wú)人機(jī)檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的超材料結(jié)構(gòu)開(kāi)辟了新的路徑。

https://doi.org/10.1007/s40820-025-02018-2

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