具有定向增强SiOC基完美超材料吸波器自上而下的参数化设计

提高电磁波(EMW)利用效率，是科技进步的不懈努力。无处不在的微波会干扰电子通信设备和医疗诊断系统，危及智能汽车和飞机等交通工具的安全，危害人类健康。微波吸收 (MA) 材料的发展作为解决电磁污染问题的建议，引起了全球的强烈兴趣。然而，目前的微波吸收器研究往往依赖于对材料固有特性进行复杂的物理化学修饰，这似乎既盲目又费时。2011 年，材料基因组计划 (MGI) 的成立开创了材料研究和创新领域自上而下的新文化。其中，材料设计应依赖于预先基于模拟的预测，然后进行关键验证实验，而不是传统的实验迭代和经验实践。该倡议还为新型 MA 材料的开发提出了新的挑战。传统的受经验主义和直觉启发的微波吸收 (MA) 材料研究似乎缺乏效率。目前的工作旨在为多功能耦合 MA 超材料建立一种可扩展的参数化设计方法，涉及前期理论计算和模拟预测，然后进行实验验证。

来自西北工业大学的学者提出了一种自上而下的参数化设计方法，该方法依赖于利用具有柔性电磁可调性的聚合物衍生陶瓷 (PDC) 作为基板材料，并通过三重周期最小表面壳状结构的数学建模结合可调谐电磁响应。在此过程中，根据实际需求筛选优选的结构配置和方向，并通过 3D 打印技术实现一步制造。研究了结构配置和方向对电磁响应的影响，并提出了一种确定性高温 MA 特性的新型优化方法。制造的 [111] 取向 Gyroid 壳状 MA 超材料在具有宽温适应性的 X-Ku 波段表现出优异的整体性能。室温下最小反射损耗（RLmin）值为–58.05 dB，有效吸收带宽（EAB）RL≤–10 dB达到6.11 GHz，超低密度比强度达到65.20 MPa/(g/cm3) 0.550 克/立方厘米。RLmin在 100 ℃时提高到 –72.38 dB，而 EAB 在300 ℃ 时增加到 6.77 GHz，并在 600℃ 时保持 5.60 GHz。

图 1. (a) 四种典型 TPMS-shellular 配置的结构配置；(b) 相对密度 (RD) 作为水平集常数 (|c|) 绝对值的函数（实线）和 RD 关于 |c| 的相应一阶导数（虚线）; (c) 在 c-4 的 RD 处，不同 TPMS-壳状结构垂直于 EMW 传播方向的每个横截面的固体面积分数 (SAF)；(d) 具有不同 |c|的四个 TPMS 的表面积；(e) c-4 RD 处四个 TPMS 壳结构的相对有效杨氏模量 (Ereff) 曲面图。

图 2. (a) 从不同晶向 ([100]、[110] 和[111]) 观察的 BCC 原子排列微晶格和 GS-4 配置；(b) 不同取向 GS-4 结构的第一主应力 (σsp1) 的 3D 体积分布。

图 3. (a) X-Ku 波段的介电测试样品模型（上）、3D 打印生坯样品（橙色，左下）和相应的热解样品（黑色，右下）；(b) 在 1300℃下热解的固体 SiOC 陶瓷的 XRD 图；(c) SiOC 衬底的横截面微形态和相应的 EDS 图；(d-f) GS111-4 MAMM 的多尺度微观形态；(g) HRTEM 图像和 (h) SiOC 陶瓷的相应 SAED 图案

图 4. 实验确定的频率相关的 (a) εreff’;、(b) εreff”; 和 (c) GS111 结构的介电 Cole-Cole 曲线，在 c-3 到 8 范围内具有不同的 RD；c中的虚线对应第一条和第二条理论最优介电曲线。(d) GS111-5 MAMM 的计算 RL 与厚度和频率的 3D 图和(e) 2D 图。(f) 特定厚度下相应的 RL 曲线。GS111–3 到−8 结构化 MAMM 的频率相关RL 曲线，特定厚度对应于它们的 (g) RLmin和 (h) 最宽 EAB。(i) GS111–4 和−5 结构化 MAMM 的压缩应力-应变曲线。

图 5. 对于 GS11–4 结构化 MAMM：实验确定的频率相关的 (a) εreff’;、(b) εreff”; 和 (c) 温度范围为 100 至 600℃的介电 Cole-Cole 曲线；(d-f) 在 100 至 300℃ 范围内计算出的RL 的二维图，涉及频率和厚度；特定厚度处的频率相关 RL 曲线对应于 (g) RLmin和 (h) 从 RT 到 600 ℃的最宽 EAB；(i) 固定厚度为 2.54 mm 时与温度相关的 RL 曲线。

图 6. GS111 结构化 MAMMs 在宽温度范围内的 MA 机制示意图。

本研究关注了结构配置和方向对可参数化 TPMS-壳结构的 MA 和力学性能的影响，可以得出以下结论。对于 NRAD MAMM，电磁响应仅由基体材料特性和结构相对密度决定；响应与特定的结构配置和方向无关，它们仅对机械性能有深远影响。通过将宏观 3D 打印结构与 PDC-SiOC 陶瓷的固有损耗特性相结合，强轻质 [111] 取向 GS 结构耐火MAMM，具有出色的 MA 性能和从 RT 到 600 ℃ 的宽温度范围自适应性，被设计和实验制造。室温下，MAMM的RLmin在17.83 GHz & 1.93 mm时为–58.05 dB，EAB在2.78 mm时达到6.11 GHz，在0.550 g超低密度下比强度达到65.20 MPa/(g/cm3)。在高温下，还实现了出色的 MA特性，RLmin在 10.34 GHz时为 –72.38 dB，在 100 ℃ 时为 3.57 mm，最宽的 EAB 在300 ℃ 时为 6.77 GHz，即使在 600 ℃ 时在 2.21 mm 时仍保持 5.60 GHz。通过控制 Cole-Cole 曲线与理论最优介电曲线之间的相对位置，本研究成功实现了自适应宽温度范围的 MA 性能，同时通过定向增强的 TPMS 壳结构实现了强轻量化的机械性能。本研究通过初步模拟和预测以及关键验证实验的无缝集成，提出了一种新的自上而下的参数化设计方法，用于强轻型和自适应宽温度范围 MA 超材料的结构优化和实际制造。（文：SSC）

审核编辑：刘清