3D打印出仿螺旋藻結(jié)構(gòu)的超材料吸波器

來源：EFL生物3D打印與生物制造

當(dāng)前，傳統(tǒng)電磁吸波材料因損耗機(jī)制簡單，吸收帶寬狹窄，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。中北大學(xué)的王智教授、尹麗仙講師團(tuán)隊(duì)與西安交通大學(xué)田小永教授團(tuán)隊(duì)受具有獨(dú)特螺旋微結(jié)構(gòu)的螺旋藻啟發(fā)，合作設(shè)計(jì)并通過3D打印技術(shù)制備了一種螺旋超材料吸波器。該團(tuán)隊(duì)利用碳納米管摻雜的丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯復(fù)合材料，構(gòu)建出具有優(yōu)異介電損耗能力和獨(dú)特電磁響應(yīng)的螺旋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了33.7 GHz的超寬有效吸收帶寬（覆蓋3.5–5.1 GHz和7.9–40 GHz，反射損耗RL≤-10 dB）。相關(guān)工作以“A bioinspired helical metamaterial for broadband electromagnetic wave absorption”為題發(fā)表在《Composites Part B》上。

研究內(nèi)容
采用參數(shù)化設(shè)計(jì)和三維建模的方法，研究了螺旋超材料的單元結(jié)構(gòu)組成（四個(gè)螺旋桿+平面基板）及關(guān)鍵參數(shù)（總高度、螺旋直徑、管直徑等）。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)通過坐標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對稱排列，基板設(shè)計(jì)可避免3D打印后的組裝需求，為后續(xù)制備提供了精確的幾何方案。  

圖 1. 螺旋超材料幾何結(jié)構(gòu)

運(yùn)用微流控芯片技術(shù)結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）觀察的方法，研究了碳納米管/ABS（CNT/ABS）復(fù)合絲材的制備及3D打印過程。結(jié)果顯示，增韌劑的加入使CNT在ABS基質(zhì)中分散更均勻，3D打印的螺旋結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)均勻的微米級凸起，證明了材料制備工藝的有效性。

  圖 2. 制備過程與顯微鏡形貌

利用電磁模擬軟件（如CST）進(jìn)行參數(shù)化掃描的方法，研究了管直徑、螺旋直徑、結(jié)構(gòu)厚度等參數(shù)對反射損耗的影響。結(jié)果表明，當(dāng)管直徑為5mm、螺旋直徑14mm、厚度10mm時(shí)，吸收帶寬可達(dá)34.6GHz，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化對吸波性能的關(guān)鍵作用。  

圖 3. 參數(shù)變化對反射損耗的影響

通過模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)合的方法，研究了ABS、銅、CNT/ABS三種材料的螺旋結(jié)構(gòu)，以及CNT/ABS材料的螺旋與平面結(jié)構(gòu)的反射損耗差異。結(jié)果表明，CNT/ABS螺旋結(jié)構(gòu)的反射損耗峰值達(dá)-35.1dB，帶寬34.6GHz，性能顯著優(yōu)于其他組合，且螺旋結(jié)構(gòu)通過調(diào)制阻抗匹配提升了吸波能力。

圖 4. 不同材料和結(jié)構(gòu)的電磁性能對比

借助電磁場仿真工具監(jiān)測電流密度和相位變化的方法，研究了螺旋結(jié)構(gòu)在14.8GHz吸收峰處的電流方向及振幅分布。結(jié)果表明，螺旋表面存在周期性旋轉(zhuǎn)的渦電流，隨頻率升高渦電流分布更密集，證實(shí)了渦電流損耗是吸波的重要機(jī)制之一。

圖 5. 電流和場分布

采用三維場分布模擬的方法，研究了電磁在螺旋結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的電場和磁場方向及振幅分布。結(jié)果顯示，電場和磁場在截面形成閉合環(huán)路，且共振區(qū)域隨頻率升高從結(jié)構(gòu)底部向頂部遷移，表明局部電磁共振增強(qiáng)了能量吸收效率。

圖 6. 電磁場方向和振幅分布

通過模擬不同相位和頻率下的電場波形的方法，研究了螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)的駐波效應(yīng)。結(jié)果表明，在14.8GHz時(shí)形成明顯駐波，節(jié)點(diǎn)和波腹的分布延長了電磁波傳播路徑，增強(qiáng)了能量耗散，且低頻段駐波效應(yīng)更強(qiáng)。

圖 7. 垂直平面電場分布

基于材料表征和結(jié)構(gòu)分析的方法，研究了螺旋超材料的吸波機(jī)制。結(jié)果表明，其吸波性能源于材料介電損耗（傳導(dǎo)損耗、偶極子極化損耗）和結(jié)構(gòu)效應(yīng)（渦電流損耗、電磁共振、駐波效應(yīng)）的協(xié)同作用，共同提升了電磁波能量轉(zhuǎn)換效率。

圖 8. 吸波機(jī)制示意圖

通過拱形框架反射法結(jié)合矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試的方法，研究了優(yōu)化后螺旋超材料的實(shí)測反射損耗，并與傳統(tǒng)吸波器對比。結(jié)果表明，實(shí)測帶寬為33.7GHz（3.5–5.1 GHz和7.9–40 GHz），反射損耗峰值-31.5dB，厚度僅10mm，性能優(yōu)于多數(shù)傳統(tǒng)吸波器，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

圖 9. 測量圖和性能表征

研究結(jié)論
本研究提出一種受螺旋藻啟發(fā)的螺旋超材料吸波器，通過材料與結(jié)構(gòu)的協(xié)同集成實(shí)現(xiàn)超寬帶電磁波吸收。系統(tǒng)優(yōu)化CNT/ABS復(fù)合超材料的幾何參數(shù)后，實(shí)驗(yàn)測得其吸收帶寬達(dá)33.7 GHz（3.5–5.1 GHz和7.9–40 GHz；反射損耗≤-10 dB），反射損耗峰值為-35.1 dB。該螺旋超材料解決了金屬螺旋結(jié)構(gòu)損耗能力弱、磁性超材料質(zhì)量密度高且理化穩(wěn)定性差等問題，在保持結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異性能，為下一代隱身技術(shù)和電磁污染緩解提供了新的解決方案。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112685