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(shè)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(shè)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(fù)雜的物理化學(xué)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(lǐng)域自上而下的新文化。其中，材料設(shè)計應(yīng)依賴于預(yù)先基于模擬的預(yù)測，然后進行關(guān)鍵驗證實驗，而不是傳統(tǒng)的實驗迭代和經(jīng)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(jīng)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(shè)計方法，涉及前期理論計算和模擬預(yù)測，然后進行實驗驗證。

來自西北工業(yè)大學(xué)的學(xué)者提出了一種自上而下的參數(shù)化設(shè)計方法，該方法依賴于利用具有柔性電磁可調(diào)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(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)建模結(jié)合可調(diào)諧電磁響應(yīng)。在此過程中，根據(jù)實際需求篩選優(yōu)選的結(jié)構(gòu)配置和方向，并通過 3D 打印技術(shù)實現(xiàn)一步制造。研究了結(jié)構(gòu)配置和方向?qū)﹄姶彭憫?yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(guān)于 |c| 的相應(yīng)一階導(dǎo)數(shù)（虛線）; (c) 在 c-4 的 RD 處，不同 TPMS-殼狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng) SAED 圖案

圖 4. 實驗確定的頻率相關(guān)的 (a) εreff’;、(b) εreff”; 和 (c) GS111 結(jié)構(gòu)的介電 Cole-Cole 曲線，在 c-3 到 8 范圍內(nèi)具有不同的 RD；c中的虛線對應(yīng)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(yīng)的 RL 曲線。GS111–3 到?8 結(jié)構(gòu)化 MAMM 的頻率相關(guān)RL 曲線，特定厚度對應(yīng)于它們的 (g) RLmin和 (h) 最寬 EAB。(i) GS111–4 和?5 結(jié)構(gòu)化 MAMM 的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖 5. 對于 GS11–4 結(jié)構(gòu)化 MAMM：實驗確定的頻率相關(guān)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(nèi)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(guān) RL 曲線對應(yīng)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(guān)的 RL 曲線。

圖 6. GS111 結(jié)構(gòu)化 MAMMs 在寬溫度范圍內(nèi)的 MA 機制示意圖。

本研究關(guān)注了結(jié)構(gòu)配置和方向?qū)蓞?shù)化 TPMS-殼結(jié)構(gòu)的 MA 和力學(xué)性能的影響，可以得出以下結(jié)論。對于 NRAD MAMM，電磁響應(yīng)僅由基體材料特性和結(jié)構(gòu)相對密度決定；響應(yīng)與特定的結(jié)構(gòu)配置和方向無關(guān)，它們僅對機械性能有深遠影響。通過將宏觀 3D 打印結(jié)構(gòu)與 PDC-SiOC 陶瓷的固有損耗特性相結(jié)合，強輕質(zhì) [111] 取向 GS 結(jié)構(gòu)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(yīng)性，被設(shè)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(yīng)寬溫度范圍的 MA 性能，同時通過定向增強的 TPMS 殼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了強輕量化的機械性能。本研究通過初步模擬和預(yù)測以及關(guān)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(shè)計方法，用于強輕型和自適應(yīng)寬溫度范圍 MA 超材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和實際制造。（文：SSC）

審核編輯：劉清