港城大呂堅(jiān)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(dá)檢測(cè)系統(tǒng)的快速發(fā)展，電磁波（EMW）吸收材料的需求日益增長(zhǎng)，尤其是在智能通信和偽裝領(lǐng)域。然而，在強(qiáng)化學(xué)腐蝕和熱沖擊等極端環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高效的EMW吸收仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這一問題，來自香港城市大學(xué)的呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)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(qiáng)反射損耗。此外，當(dāng)作為飛機(jī)機(jī)翼使用時(shí)，該超材料還展現(xiàn)出小雷達(dá)截面積（-59.54 dB(m²)）和高達(dá)1500°C的高熱氧化穩(wěn)定性，質(zhì)量變化小于3.2%。這項(xiàng)工作不僅擴(kuò)展了EMW吸收超材料的設(shè)計(jì)策略，而且推動(dòng)了具有環(huán)境適應(yīng)性的先進(jìn)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(dú)特的周期性層次結(jié)構(gòu)和表面納米褶皺對(duì)陽光的吸收機(jī)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(jì)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(cè)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(shí)部和虛部。結(jié)果表明，當(dāng)PDMS與ZrB2的質(zhì)量比為10:5時(shí)，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(diǎn)計(jì)算機(jī)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(duì)三維打印的SiOC-ZrB2基元單元進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，打印的基元單元與目標(biāo)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(qiáng)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(qiáng)機(jī)制。
通過密度泛函理論（DFT）計(jì)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(duì)電荷傳輸?shù)挠绊�。結(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(qiáng)電磁波的吸收。

圖5. SiOC-ZrB2基元單元的界面極化增強(qiáng)機(jī)制。

6. 作為飛機(jī)機(jī)翼的SiOC-ZrB2基元單元的隱身性能和熱穩(wěn)定性。
通過計(jì)算不同相位角下的雷達(dá)截面積（RCS），研究了SiOC-ZrB2基元單元作為飛機(jī)機(jī)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(jī)機(jī)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(xì)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(dá)到了10.80 GHz的寬有效吸收帶寬和-39.17 dB的強(qiáng)最小反射損耗，超越了典型的陶瓷基吸收材料。進(jìn)一步探究了該超材料作為飛機(jī)機(jī)翼時(shí)的隱身性能和熱氧化穩(wěn)定性，結(jié)果表明，機(jī)翼形狀的超材料具有-59.54 dB(m²)的小雷達(dá)截面積和高達(dá)1500°C的高熱氧化穩(wěn)定性，在高速飛行中為飛機(jī)提供了良好的隱身能力。本研究的設(shè)計(jì)理念有望激勵(lì)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