港城大呂堅院士&西工大李賀軍院士《AFM》：3D打印耐極端環(huán)境隱身超材料

來源：EFL生物3D打印與生物制造

隨著無線通信和雷達檢測系統(tǒng)的快速發(fā)展，電磁波（EMW）吸收材料的需求日益增長，尤其是在智能通信和偽裝領(lǐng)域。然而，在強化學(xué)腐蝕和熱沖擊等極端環(huán)境下實現(xiàn)高效的EMW吸收仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這一問題，來自香港城市大學(xué)的呂堅院士團隊與西工大李賀軍院士合作提出了一種受自然玫瑰花瓣結(jié)構(gòu)啟發(fā)的三維打印SiOC-ZrB2超材料。這種超材料不僅展現(xiàn)出梯度阻抗和多種極化模式，還具有10.80 GHz的寬帶寬和-39.17 dB的強反射損耗。此外，當作為飛機機翼使用時，該超材料還展現(xiàn)出小雷達截面積（-59.54 dB(m²)）和高達1500°C的高熱氧化穩(wěn)定性，質(zhì)量變化小于3.2%。這項工作不僅擴展了EMW吸收超材料的設(shè)計策略，而且推動了具有環(huán)境適應(yīng)性的先進吸收器的發(fā)展。相關(guān)工作以“Uniting Superior Electromagnetic Wave Absorption with High Thermal Stability in Bioinspired Metamaterial by Direct Ink Writing”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

1. 玫瑰花瓣的自然結(jié)構(gòu)與電磁波吸收原理。
通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察玫瑰花瓣的結(jié)構(gòu)，研究了其獨特的周期性層次結(jié)構(gòu)和表面納米褶皺對陽光的吸收機制。結(jié)果表明，玫瑰花瓣的這種結(jié)構(gòu)能夠多次反射太陽光，捕獲更多能量，為設(shè)計具有類似功能的電磁波吸收材料提供了靈感。

圖1 玫瑰花瓣的自然結(jié)構(gòu)與電磁波吸收原理。

2. SiOC-ZrB2復(fù)合材料的電磁性能。
通過波導(dǎo)法測量了不同SiOC/ZrB2比例的復(fù)合材料的電磁參數(shù)，包括介電常數(shù)的實部和虛部。結(jié)果表明，當PDMS與ZrB2的質(zhì)量比為10:5時，該復(fù)合材料展現(xiàn)出最佳的電磁波吸收性能，具有2.25 GHz的寬吸收帶和-46.52 dB的最小反射損耗。

圖2 SiOC-ZrB2復(fù)合材料的電磁性能

3. 三維打印的SiOC-ZrB2基元單元的多尺度表征。
通過微焦點計算機斷層掃描（μ-CT）、掃描電子顯微鏡（SEM）、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）對三維打印的SiOC-ZrB2基元單元進行了表征。結(jié)果表明，打印的基元單元與目標模型高度一致，且在熱解后保持了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)建了具有均勻間距的均勻晶格和定制的孔隙。

圖3. 三維打印的SiOC-ZrB2基元單元的多尺度表征。

4. SiOC-ZrB2基元單元的電磁波吸收性能。
通過弧法和有限元分析（FEA）模擬相結(jié)合的方法，研究了SiOC-ZrB2基元單元的電磁波吸收性能。結(jié)果表明，該基元單元在10.80 GHz的寬帶寬內(nèi)展現(xiàn)出-39.17 dB的強反射損耗，超過了典型的陶瓷基吸收材料。

圖4. SiOC-ZrB2基元單元的電磁波吸收性能。

5. SiOC-ZrB2基元單元的界面極化增強機制。
通過密度泛函理論（DFT）計算和X射線光電子能譜（XPS）分析，研究了SiOC-ZrB2基元單元內(nèi)部的異質(zhì)界面對電荷傳輸?shù)挠绊憽＝Y(jié)果表明，這些異質(zhì)界面具有金屬特性，能夠加速界面電子的交換，從而增強電磁波的吸收。

圖5. SiOC-ZrB2基元單元的界面極化增強機制。

6. 作為飛機機翼的SiOC-ZrB2基元單元的隱身性能和熱穩(wěn)定性。
通過計算不同相位角下的雷達截面積（RCS），研究了SiOC-ZrB2基元單元作為飛機機翼的隱身性能。結(jié)果表明，該基元單元在15.23 GHz和16.56 GHz下展現(xiàn)出-59.54 dB(m2)和-48.74 dB(m2)的最小RCS，且在1500°C下暴露240分鐘后質(zhì)量變化小于3.2%，顯示出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

圖6 作為飛機機翼的SiOC-ZrB2基元單元的隱身性能和熱穩(wěn)定性。

研究結(jié)論
本研究提出了一種新型的直接墨水寫入打印的超材料，其以玫瑰花瓣的自然結(jié)構(gòu)為靈感，由SiOC-ZrB2復(fù)合材料構(gòu)成，兼具卓越的電磁波吸收性能和熱氧化穩(wěn)定性。通過精細優(yōu)化復(fù)合材料的電磁特性以及單元格的形狀參數(shù)，該超材料實現(xiàn)了梯度阻抗與衰減能力的協(xié)同，使得電磁波能夠輕松進入材料并逐層耗散。此外，SiOC-ZrB2復(fù)合材料內(nèi)部豐富的異質(zhì)界面促進了界面極化，豐富了電磁波的衰減模式，賦予了超材料高損耗能力，最終使其達到了10.80 GHz的寬有效吸收帶寬和-39.17 dB的強最小反射損耗，超越了典型的陶瓷基吸收材料。進一步探究了該超材料作為飛機機翼時的隱身性能和熱氧化穩(wěn)定性，結(jié)果表明，機翼形狀的超材料具有-59.54 dB(m²)的小雷達截面積和高達1500°C的高熱氧化穩(wěn)定性，在高速飛行中為飛機提供了良好的隱身能力。本研究的設(shè)計理念有望激勵電磁波領(lǐng)域巧妙利用生物特征，開發(fā)出適用于更廣泛領(lǐng)域的高性能吸收系統(tǒng)。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adfm.202424499