供稿人：李紅艷、連芩 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 發(fā)布日期：2025-03-04
隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，電磁污染和干擾問題日益凸顯，對人類生活和軍事安全構(gòu)成威脅。尤其在軍事領(lǐng)域，提高飛行器的隱身性能，減少雷達(dá)等偵測系統(tǒng)的探測概率，已成為提升戰(zhàn)場生存能力的關(guān)鍵。電磁屏蔽技術(shù)是減少電磁輻射干擾、實現(xiàn)飛行器隱身的重要手段。然而，傳統(tǒng)材料和結(jié)構(gòu)的電磁性能受到其固有尺寸的限制，難以動態(tài)響應(yīng)外部激勵信號。
鋇鈦酸鹽作為一種典型的鐵電材料，因其高介電常數(shù)特性，在微波吸收領(lǐng)域受到關(guān)注。西北工業(yè)大學(xué)的梅慧等通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)了鋇鈦酸鹽基超材料微波吸收體的一體化制造，研究表明，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以獲得完全不同的電磁響應(yīng)。
研究中使用微米級鈦酸鋇（BaTiO3）制備了體積分?jǐn)?shù)為40%的光固化漿料，利用數(shù)字光處（DLP）技術(shù)3D打印具有復(fù)雜幾何形狀的BaTiO3基電磁超材料。TPMS結(jié)構(gòu)因其高度對稱性和大表面積，有助于延長微波在材料中的傳播路徑，增加微波吸收性能。TPMS結(jié)構(gòu)單胞尺寸（UCD）變化會影響結(jié)構(gòu)的最小周期單元數(shù)量，從而影響結(jié)構(gòu)的電磁波吸收和屏蔽特性。相對密度（RD）的變化會影響材料的整體等效介電常數(shù)。為實現(xiàn)最佳電磁參數(shù)，通過改變Gyroid結(jié)構(gòu)的UCD與RD的設(shè)計來調(diào)整超材料的阻抗匹配特性，以確保入射的電磁波能夠進(jìn)入材料內(nèi)部而不是被反射(圖1)。設(shè)計了從1T到5T的不同UCD（1T = 1.47 mm），以及10%，20%，30%，40%，和50%的不同RD。
圖1 3d打印BaTiO3在UCD為1T，RD為10%時的的掃描電子顯微鏡圖像:(a)單胞;(b-d) (a)的放大圖像;(e)結(jié)構(gòu)參數(shù)
測試結(jié)果表明在X波段，當(dāng)UCD為1T（1.47 mm）且RD為10%時，鋇鈦酸鹽超材料實現(xiàn)了最佳的微波吸收性能，最小反射損耗為：-59.06 dB（圖2a），有效吸收帶寬為1.7 GHz（圖2b）。當(dāng)UCD為2T時，鋇鈦酸鹽超材料的總屏蔽效能為15.98 dB，表明通過優(yōu)化宏觀結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)超材料從電磁屏蔽到微波吸收的轉(zhuǎn)變。
圖2（a） 反射損失的二維等值線圖，（b）反射損失曲線
研究闡明了超結(jié)構(gòu)設(shè)計對電磁響應(yīng)有明顯影響。通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和定制，可以制造出高性能電磁超材料。為探索鐵電材料在國防工業(yè)變頻和主動隱身領(lǐng)域的研究前景奠定了良好的基礎(chǔ)。