3D打印出仿螺旋藻結構的超材料吸波器

來源：EFL生物3D打印與生物制造

當前，傳統(tǒng)電磁吸波材料因損耗機制簡單，吸收帶寬狹窄，難以滿足實際應用需求。中北大學的王智教授、尹麗仙講師團隊與西安交通大學田小永教授團隊受具有獨特螺旋微結構的螺旋藻啟發(fā)，合作設計并通過3D打印技術制備了一種螺旋超材料吸波器。該團隊利用碳納米管摻雜的丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯復合材料，構建出具有優(yōu)異介電損耗能力和獨特電磁響應的螺旋結構，實現(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。

研究內容
采用參數(shù)化設計和三維建模的方法，研究了螺旋超材料的單元結構組成（四個螺旋桿+平面基板）及關鍵參數(shù)（總高度、螺旋直徑、管直徑等）。結果表明，該結構通過坐標系統(tǒng)實現(xiàn)對稱排列，基板設計可避免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. 螺旋超材料幾何結構

運用微流控芯片技術結合掃描電子顯微鏡（SEM）觀察的方法，研究了碳納米管/ABS（CNT/ABS）復合絲材的制備及3D打印過程。結果顯示，增韌劑的加入使CNT在ABS基質中分散更均勻，3D打印的螺旋結構表面呈現(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）進行參數(shù)化掃描的方法，研究了管直徑、螺旋直徑、結構厚度等參數(shù)對反射損耗的影響。結果表明，當管直徑為5mm、螺旋直徑14mm、厚度10mm時，吸收帶寬可達34.6GHz，驗證了結構參數(shù)優(yōu)化對吸波性能的關鍵作用。  

圖 3. 參數(shù)變化對反射損耗的影響

通過模擬計算與實驗測試結合的方法，研究了ABS、銅、CNT/ABS三種材料的螺旋結構，以及CNT/ABS材料的螺旋與平面結構的反射損耗差異。結果表明，CNT/ABS螺旋結構的反射損耗峰值達-35.1dB，帶寬34.6GHz，性能顯著優(yōu)于其他組合，且螺旋結構通過調制阻抗匹配提升了吸波能力。

圖 4. 不同材料和結構的電磁性能對比

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

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構單元內的電場和磁場方向及振幅分布。結果顯示，電場和磁場在截面形成閉合環(huán)路，且共振區(qū)域隨頻率升高從結構底部向頂部遷移，表明局部電磁共振增強了能量吸收效率。

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，研究了螺旋結構內的駐波效應。結果表明，在14.8GHz時形成明顯駐波，節(jié)點和波腹的分布延長了電磁波傳播路徑，增強了能量耗散，且低頻段駐波效應更強。

圖 7. 垂直平面電場分布

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

圖 8. 吸波機制示意圖

通過拱形框架反射法結合矢量網絡分析儀測試的方法，研究了優(yōu)化后螺旋超材料的實測反射損耗，并與傳統(tǒng)吸波器對比。結果表明，實測帶寬為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，驗證了設計的實用性。

圖 9. 測量圖和性能表征

研究結論
本研究提出一種受螺旋藻啟發(fā)的螺旋超材料吸波器，通過材料與結構的協(xié)同集成實現(xiàn)超寬帶電磁波吸收。系統(tǒng)優(yōu)化CNT/ABS復合超材料的幾何參數(shù)后，實驗測得其吸收帶寬達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構損耗能力弱、磁性超材料質量密度高且理化穩(wěn)定性差等問題，在保持結構緊湊的同時展現(xiàn)出優(yōu)異性能，為下一代隱身技術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