具有超宽带微波吸收特性的3D打印超材料

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：3D printing metamaterials with ultra-broadband microwave absorption

微波吸收材料设计优化与3D打印制备。基于四分之一波长匹配厚度理论，通过有限元电磁仿真和遗传算法优化四层嵌套结构 metamaterial，实现2.2-18 GHz宽频带吸收（有效带宽15.8 GHz），厚度仅10 mm。采用碳纳米管增强的PCL/POE聚合物复合材料，通过FDM 3D打印技术实现多尺度结构精准制造，实验验证与仿真结果高度吻合。

　　在现代电磁技术快速发展的背景下，微波吸收材料的研究成为解决电磁干扰与隐身技术需求的重要手段。微波吸收材料广泛应用于通信设备、雷达隐身以及电子防护等多个领域，其核心功能在于将入射的电磁波能量转化为热能或其他形式的能量，从而减少电磁波的反射与透射。传统的微波吸收材料主要包括涂层和复合材料吸收板，这些材料在实际应用中往往受限于其结构特性，难以实现宽频段的高效吸收。因此，近年来研究者开始关注具有特殊结构设计的材料，尤其是基于超材料（metamaterial）原理的创新结构，这些结构能够通过精确调控电磁波的传播路径，显著提升吸收性能。

超材料作为一种新型材料，其独特的物理特性来源于其微观结构而非材料本身的组成。与传统的材料不同，超材料能够通过人工设计的亚波长单元结构，实现对电磁波的高效吸收与调控。特别是三维结构的超材料，在设计与应用上展现出更大的灵活性和更高的性能。相较于二维频率选择表面（FSS），三维超材料能够覆盖更宽的频率范围，并且对入射角度的依赖性较低，因此在实际应用中更具优势。这种结构的灵活性使得三维超材料成为实现宽频段吸收的理想选择。

为了进一步提升微波吸收性能，研究者尝试将不同类型的吸收材料与基体材料结合，通过结构设计与材料配比的优化，实现更高效的吸收效果。例如，碳纳米管（CNT）作为一种具有优异导电性能的纳米材料，被广泛用于微波吸收材料的制备。通过将碳纳米管嵌入聚合物基体中，可以形成导电网络，从而增强材料的电磁吸收能力。碳纳米管的高比表面积和优异的导电性使其在微波吸收领域具有独特的应用潜力。然而，如何通过结构设计进一步提升其性能，成为当前研究的重点。

在此基础上，本研究提出了一种基于聚己内酯（PCL）与聚烯烃弹性体（POE）复合材料的多壁碳纳米管（MWCNT）结构设计。通过将MWCNT与PCL/POE复合材料结合，利用熔融沉积成型（FDM）技术进行3D打印，可以实现对吸收结构的精确调控。FDM技术作为一种常见的3D打印方法，具有操作简便、成本较低等优势，特别适合于制备具有复杂结构的材料。通过FDM技术，可以将微米级的腔体结构直接打印出来，无需额外支撑，从而简化制造过程并提高结构的稳定性。

在材料设计过程中，研究者基于四分之一波长匹配厚度理论，设计了一种具有多层嵌套结构的超材料。该理论认为，当材料的厚度接近四分之一波长时，可以实现对电磁波的有效吸收。因此，通过调整各层的厚度，可以优化材料的吸收性能。同时，为了进一步提升吸收效果，研究者引入了遗传算法对结构参数进行优化，从而找到最佳的结构配置。这种优化方法能够有效提升材料的宽带吸收性能，使其能够在更宽的频率范围内实现良好的吸收效果。

为了验证设计的可行性，研究者采用了有限元电磁仿真方法对材料的电磁性能进行了分析。通过模拟，可以预测材料在不同频率下的吸收效果，并进一步优化结构参数。仿真结果表明，该多层嵌套结构在2.2–18 GHz的频率范围内能够实现有效的吸收，其有效吸收带宽（EAB）达到了15.8 GHz。此外，通过调整碳纳米管的含量，研究者进一步优化了材料的吸收性能。例如，当碳纳米管的含量为15%时，材料的反射损耗（RL）可以达到?35.33 dB，表明其具有优异的吸收能力。这种优化方法不仅提升了材料的吸收性能，还为实际应用提供了可靠的理论依据。

实验部分采用了多种手段对材料的结构与性能进行了表征。通过拉曼光谱和扫描电子显微镜（SEM）对材料的微观结构和形貌进行了分析，结果表明碳纳米管在基体材料中能够形成稳定的导电网络，从而增强材料的电磁吸收能力。此外，研究者还通过实验测试了3D打印后的材料在不同频率下的吸收效果，并将其与仿真结果进行了对比。实验结果表明，该材料在2–18 GHz的频率范围内能够实现有效的吸收，其有效吸收带宽达到了15.8 GHz，表明其具有良好的宽频段吸收性能。

研究结果表明，基于PCL/POE复合材料的多壁碳纳米管结构设计，能够有效提升微波吸收性能。这种结构不仅能够实现宽频段的吸收，还能够通过调整各层的厚度和碳纳米管的含量，进一步优化吸收效果。此外，通过FDM技术进行3D打印，使得材料的制造过程更加简便，同时保证了结构的稳定性。这些优势使得该材料在实际应用中具有广阔前景，特别是在需要高效吸收电磁波的领域，如通信设备、雷达隐身和电子防护等。

本研究的创新点在于结合了多层嵌套结构设计与碳纳米管的导电网络，从而实现更高效的微波吸收性能。通过遗传算法优化结构参数，使得材料能够在更宽的频率范围内实现良好的吸收效果。同时，FDM技术的应用使得材料的制造过程更加简便，降低了生产成本，并提高了结构的可调控性。这些研究成果不仅为微波吸收材料的设计提供了新的思路，也为实际应用提供了可靠的理论依据和技术支持。

此外，研究者还探讨了不同材料配比对吸收性能的影响。通过调整PCL与POE的比例，以及碳纳米管的含量，可以进一步优化材料的电磁参数，从而提升吸收效果。实验结果显示，当碳纳米管的含量为10%时，材料的吸收性能得到了显著提升，其有效吸收带宽达到了15.8 GHz。这表明，通过合理调整材料配比，可以实现对吸收性能的有效调控，从而满足不同应用场景的需求。

综上所述，本研究通过多层嵌套结构设计与碳纳米管的结合，利用FDM技术进行3D打印，成功制备了一种具有优异宽频段吸收性能的微波吸收材料。实验结果表明，该材料在2–18 GHz的频率范围内能够实现有效的吸收，其有效吸收带宽达到了15.8 GHz，表明其在实际应用中具有重要的价值。同时，研究者通过遗传算法优化结构参数，使得材料的吸收性能得到了进一步提升，为未来的微波吸收材料研究提供了新的方向。这些研究成果不仅推动了微波吸收材料的发展，也为相关技术的应用提供了理论支持和实践指导。