3D打印碳基全介電蜂窩元結(jié)構(gòu)，用于薄型寬帶電磁吸收

供稿人：王正、王玲、李滌塵
供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室
來源：中國機械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

微波通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展見證了電子設(shè)備、儀器和系統(tǒng)的廣泛使用，這給智能生活帶來了巨大的好處，但隨之而來的電磁輻射和污染對醫(yī)療保健、設(shè)備可靠性和國防安全產(chǎn)生了嚴重的負面影響。

最近的研究證明，高性能吸波材料可以通過多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計方法實現(xiàn)，該方法可以誘導(dǎo)從微觀到宏觀尺度的多種損耗模式。常見的吸收結(jié)構(gòu)包括蜂窩結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)、周期性階梯結(jié)構(gòu)等。在這些結(jié)構(gòu)中，蜂窩是一種天然的周期性結(jié)構(gòu)，具有輕質(zhì)、高強度和優(yōu)異的吸收性能。然而，大多數(shù)報道的蜂窩結(jié)構(gòu)是通過繁瑣的工藝（浸漬、熱壓和粘合等）制造的，這限制了其應(yīng)用。幸運的是，高精度三維（3D）打印的快速發(fā)展使得通過簡單直接的步驟制備復(fù)雜形狀的吸收產(chǎn)物成為可能。

為了研究吸波蜂窩的打印問題，西安郵電大學(xué)的周倩等人研究設(shè)計并提出了一種導(dǎo)電涂層蜂窩超材料吸收體復(fù)合材料，用碳纖維增強的光反應(yīng)性丙烯酸樹脂制造蜂窩骨架，并在表面形成導(dǎo)電涂層，導(dǎo)電涂層由丙烯酸樹脂、多壁碳納米管和樹脂組成，樣件制備過程如圖1所示。

圖1 導(dǎo)電涂層蜂窩超材料吸收體復(fù)合材料的制造程序

為了可比性，傳統(tǒng)的蜂窩是通過在沒有底板的蜂窩紙表面上浸漬吸收涂層制成的，其材料特性與導(dǎo)電涂層蜂窩復(fù)合材料相同。設(shè)計的導(dǎo)電涂層蜂窩復(fù)合材料增加了印刷板和通過浸漬工藝引入的周期性導(dǎo)電涂層。圖2顯示了優(yōu)化的導(dǎo)電涂層蜂窩復(fù)合材料和傳統(tǒng)蜂窩在4 ～ 40 GHz下的吸收性能。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)蜂窩相比導(dǎo)電涂層蜂窩復(fù)合材料的有效吸收帶寬已從22.36 GHz（6.76 ～ 29.12 GHz）大幅擴展到34.76 GHz（5.24 ～ 40 GHz）。因此，導(dǎo)電涂層蜂窩復(fù)合材料的有效帶寬得到了很大的擴展，特別是對于高頻的吸波的改善強。

圖2 （a）陣列示意圖和晶胞的幾何參數(shù);（b）設(shè)計的導(dǎo)電涂層蜂窩復(fù)合材料和傳統(tǒng)蜂窩的反射損耗曲線;（c）和（d）為兩種蜂窩結(jié)構(gòu)的等效電路圖

本研究所設(shè)計的導(dǎo)電涂層蜂窩的吸收性能可以通過復(fù)合材料的電性能參數(shù)以及蜂窩元結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)進行調(diào)整，可用于不同吸收性能要求的定制。多尺度結(jié)構(gòu)引起的多種損耗模式使得綜合優(yōu)異性能。3D打印蜂窩骨架與導(dǎo)電涂層之間的協(xié)同效應(yīng)將大大提高其吸收性能，為設(shè)計超輕量級寬帶微波超材料吸收體提供了新的思路。

參考文獻：
Qian Zhou,Chenxi Qi,et al.3D printed carbon based all-dielectric honeycomb metastructure for thin and broadband electromagnetic absorption[J].Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,2023,Volume 169.