具有定向增強SiOC基完美超材料吸波器自上而下的參數(shù)化設計

提高電磁波(EMW)利用效率，是科技進步的不懈努力。無處不在的微波會干擾電子通信設備和醫(yī)療診斷系統(tǒng)，危及智能汽車和飛機等交通工具的安全，危害人類健康。微波吸收 (MA) 材料的發(fā)展作為解決電磁污染問題的建議，引起了全球的強烈興趣。然而，目前的微波吸收器研究往往依賴于對材料固有特性進行復雜的物理化學修飾，這似乎既盲目又費時。2011 年，材料基因組計劃 (MGI) 的成立開創(chuàng)了材料研究和創(chuàng)新領域自上而下的新文化。其中，材料設計應依賴于預先基于模擬的預測，然后進行關鍵驗證實驗，而不是傳統(tǒng)的實驗迭代和經驗實踐。該倡議還為新型 MA 材料的開發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的受經驗主義和直覺啟發(fā)的微波吸收 (MA) 材料研究似乎缺乏效率。目前的工作旨在為多功能耦合 MA 超材料建立一種可擴展的參數(shù)化設計方法，涉及前期理論計算和模擬預測，然后進行實驗驗證。

來自西北工業(yè)大學的學者提出了一種自上而下的參數(shù)化設計方法，該方法依賴于利用具有柔性電磁可調性的聚合物衍生陶瓷 (PDC) 作為基板材料，并通過三重周期最小表面殼狀結構的數(shù)學建模結合可調諧電磁響應。在此過程中，根據實際需求篩選優(yōu)選的結構配置和方向，并通過 3D 打印技術實現(xiàn)一步制造。研究了結構配置和方向對電磁響應的影響，并提出了一種確定性高溫 MA 特性的新型優(yōu)化方法。制造的 [111] 取向 Gyroid 殼狀 MA 超材料在具有寬溫適應性的 X-Ku 波段表現(xiàn)出優(yōu)異的整體性能。室溫下最小反射損耗（RLmin）值為–58.05 dB，有效吸收帶寬（EAB）RL≤–10 dB達到6.11 GHz，超低密度比強度達到65.20 MPa/(g/cm3) 0.550 克/立方厘米。RLmin在 100 ℃時提高到 –72.38 dB，而 EAB 在300 ℃ 時增加到 6.77 GHz，并在 600℃ 時保持 5.60 GHz。

圖 1. (a) 四種典型 TPMS-shellular 配置的結構配置；(b) 相對密度 (RD) 作為水平集常數(shù) (|c|) 絕對值的函數(shù)（實線）和 RD 關于 |c| 的相應一階導數(shù)（虛線）; (c) 在 c-4 的 RD 處，不同 TPMS-殼狀結構垂直于 EMW 傳播方向的每個橫截面的固體面積分數(shù) (SAF)；(d) 具有不同 |c|的四個 TPMS 的表面積；(e) c-4 RD 處四個 TPMS 殼結構的相對有效楊氏模量 (Ereff) 曲面圖。

圖 2. (a) 從不同晶向 ([100]、[110] 和[111]) 觀察的 BCC 原子排列微晶格和 GS-4 配置；(b) 不同取向 GS-4 結構的第一主應力 (σsp1) 的 3D 體積分布。

圖 3. (a) X-Ku 波段的介電測試樣品模型（上）、3D 打印生坯樣品（橙色，左下）和相應的熱解樣品（黑色，右下）；(b) 在 1300℃下熱解的固體 SiOC 陶瓷的 XRD 圖；(c) SiOC 襯底的橫截面微形態(tài)和相應的 EDS 圖；(d-f) GS111-4 MAMM 的多尺度微觀形態(tài)；(g) HRTEM 圖像和 (h) SiOC 陶瓷的相應 SAED 圖案

圖 4. 實驗確定的頻率相關的 (a) εreff’;、(b) εreff”; 和 (c) GS111 結構的介電 Cole-Cole 曲線，在 c-3 到 8 范圍內具有不同的 RD；c中的虛線對應第一條和第二條理論最優(yōu)介電曲線。(d) GS111-5 MAMM 的計算 RL 與厚度和頻率的 3D 圖和(e) 2D 圖。(f) 特定厚度下相應的 RL 曲線。GS111–3 到?8 結構化 MAMM 的頻率相關RL 曲線，特定厚度對應于它們的 (g) RLmin和 (h) 最寬 EAB。(i) GS111–4 和?5 結構化 MAMM 的壓縮應力-應變曲線。

圖 5. 對于 GS11–4 結構化 MAMM：實驗確定的頻率相關的 (a) εreff’;、(b) εreff”; 和 (c) 溫度范圍為 100 至 600℃的介電 Cole-Cole 曲線；(d-f) 在 100 至 300℃ 范圍內計算出的RL 的二維圖，涉及頻率和厚度；特定厚度處的頻率相關 RL 曲線對應于 (g) RLmin和 (h) 從 RT 到 600 ℃的最寬 EAB；(i) 固定厚度為 2.54 mm 時與溫度相關的 RL 曲線。

圖 6. GS111 結構化 MAMMs 在寬溫度范圍內的 MA 機制示意圖。

本研究關注了結構配置和方向對可參數(shù)化 TPMS-殼結構的 MA 和力學性能的影響，可以得出以下結論。對于 NRAD MAMM，電磁響應僅由基體材料特性和結構相對密度決定；響應與特定的結構配置和方向無關，它們僅對機械性能有深遠影響。通過將宏觀 3D 打印結構與 PDC-SiOC 陶瓷的固有損耗特性相結合，強輕質 [111] 取向 GS 結構耐火MAMM，具有出色的 MA 性能和從 RT 到 600 ℃ 的寬溫度范圍自適應性，被設計和實驗制造。室溫下，MAMM的RLmin在17.83 GHz & 1.93 mm時為–58.05 dB，EAB在2.78 mm時達到6.11 GHz，在0.550 g超低密度下比強度達到65.20 MPa/(g/cm3)。在高溫下，還實現(xiàn)了出色的 MA特性，RLmin在 10.34 GHz時為 –72.38 dB，在 100 ℃ 時為 3.57 mm，最寬的 EAB 在300 ℃ 時為 6.77 GHz，即使在 600 ℃ 時在 2.21 mm 時仍保持 5.60 GHz。通過控制 Cole-Cole 曲線與理論最優(yōu)介電曲線之間的相對位置，本研究成功實現(xiàn)了自適應寬溫度范圍的 MA 性能，同時通過定向增強的 TPMS 殼結構實現(xiàn)了強輕量化的機械性能。本研究通過初步模擬和預測以及關鍵驗證實驗的無縫集成，提出了一種新的自上而下的參數(shù)化設計方法，用于強輕型和自適應寬溫度范圍 MA 超材料的結構優(yōu)化和實際制造。（文：SSC）

審核編輯：劉清