港城大吕坚院士&西工大李贺军院士《AFM》：3D打印耐极端环境隐身超材料

来源：EFL生物3D打印与生物制造

随着无线通信和雷达检测系统的快速发展，电磁波（EMW）吸收材料的需求日益增长，尤其是在智能通信和伪装领域。然而，在强化学腐蚀和热冲击等极端环境下实现高效的EMW吸收仍然是一个巨大的挑战。为了应对这一问题，来自香港城市大学的吕坚院士团队与西工大李贺军院士合作提出了一种受自然玫瑰花瓣结构启发的三维打印SiOC-ZrB2超材料。这种超材料不仅展现出梯度阻抗和多种极化模式，还具有10.80 GHz的宽带宽和-39.17 dB的强反射损耗。此外，当作为飞机机翼使用时，该超材料还展现出小雷达截面积（-59.54 dB(m²)）和高达1500°C的高热氧化稳定性，质量变化小于3.2%。这项工作不仅扩展了EMW吸收超材料的设计策略，而且推动了具有环境适应性的先进吸收器的发展。相关工作以“Uniting Superior Electromagnetic Wave Absorption with High Thermal Stability in Bioinspired Metamaterial by Direct Ink Writing”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

1. 玫瑰花瓣的自然结构与电磁波吸收原理。
通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察玫瑰花瓣的结构，研究了其独特的周期性层次结构和表面纳米褶皱对阳光的吸收机制。结果表明，玫瑰花瓣的这种结构能够多次反射太阳光，捕获更多能量，为设计具有类似功能的电磁波吸收材料提供了灵感。

图1 玫瑰花瓣的自然结构与电磁波吸收原理。

2. SiOC-ZrB2复合材料的电磁性能。
通过波导法测量了不同SiOC/ZrB2比例的复合材料的电磁参数，包括介电常数的实部和虚部。结果表明，当PDMS与ZrB2的质量比为10:5时，该复合材料展现出最佳的电磁波吸收性能，具有2.25 GHz的宽吸收带和-46.52 dB的最小反射损耗。

图2 SiOC-ZrB2复合材料的电磁性能

3. 三维打印的SiOC-ZrB2基元单元的多尺度表征。
通过微焦点计算机断层扫描（μ-CT）、扫描电子显微镜（SEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）对三维打印的SiOC-ZrB2基元单元进行了表征。结果表明，打印的基元单元与目标模型高度一致，且在热解后保持了稳定的结构，成功构建了具有均匀间距的均匀晶格和定制的孔隙。

图3. 三维打印的SiOC-ZrB2基元单元的多尺度表征。

4. SiOC-ZrB2基元单元的电磁波吸收性能。
通过弧法和有限元分析（FEA）模拟相结合的方法，研究了SiOC-ZrB2基元单元的电磁波吸收性能。结果表明，该基元单元在10.80 GHz的宽带宽内展现出-39.17 dB的强反射损耗，超过了典型的陶瓷基吸收材料。

图4. SiOC-ZrB2基元单元的电磁波吸收性能。

5. SiOC-ZrB2基元单元的界面极化增强机制。
通过密度泛函理论（DFT）计算和X射线光电子能谱（XPS）分析，研究了SiOC-ZrB2基元单元内部的异质界面对电荷传输的影响。结果表明，这些异质界面具有金属特性，能够加速界面电子的交换，从而增强电磁波的吸收。

图5. SiOC-ZrB2基元单元的界面极化增强机制。

6. 作为飞机机翼的SiOC-ZrB2基元单元的隐身性能和热稳定性。
通过计算不同相位角下的雷达截面积（RCS），研究了SiOC-ZrB2基元单元作为飞机机翼的隐身性能。结果表明，该基元单元在15.23 GHz和16.56 GHz下展现出-59.54 dB(m2)和-48.74 dB(m2)的最小RCS，且在1500°C下暴露240分钟后质量变化小于3.2%，显示出优异的热稳定性。

图6 作为飞机机翼的SiOC-ZrB2基元单元的隐身性能和热稳定性。

研究结论
本研究提出了一种新型的直接墨水写入打印的超材料，其以玫瑰花瓣的自然结构为灵感，由SiOC-ZrB2复合材料构成，兼具卓越的电磁波吸收性能和热氧化稳定性。通过精细优化复合材料的电磁特性以及单元格的形状参数，该超材料实现了梯度阻抗与衰减能力的协同，使得电磁波能够轻松进入材料并逐层耗散。此外，SiOC-ZrB2复合材料内部丰富的异质界面促进了界面极化，丰富了电磁波的衰减模式，赋予了超材料高损耗能力，最终使其达到了10.80 GHz的宽有效吸收带宽和-39.17 dB的强最小反射损耗，超越了典型的陶瓷基吸收材料。进一步探究了该超材料作为飞机机翼时的隐身性能和热氧化稳定性，结果表明，机翼形状的超材料具有-59.54 dB(m²)的小雷达截面积和高达1500°C的高热氧化稳定性，在高速飞行中为飞机提供了良好的隐身能力。本研究的设计理念有望激励电磁波领域巧妙利用生物特征，开发出适用于更广泛领域的高性能吸收系统。

文章来源：https://doi.org/10.1002/adfm.202424499