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：西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打�。┓謺�

微波通信技術的蓬勃發(fā)展見證了電子設備、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)設計方法實現(xiàn)，該方法可以誘導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，西安郵電大學的周倩等人研究設計并提出了一種導電涂層蜂窩超材料吸收體復合材料，用碳纖維增強的光反應性丙烯酸樹脂制造蜂窩骨架，并在表面形成導電涂層，導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 導電涂層蜂窩超材料吸收體復合材料的制造程序

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，其材料特性與導電涂層蜂窩復合材料相同。設計的導電涂層蜂窩復合材料增加了印刷板和通過浸漬工藝引入的周期性導電涂層。圖2顯示了優(yōu)化的導電涂層蜂窩復合材料和傳統(tǒng)蜂窩在4 ～ 40 GHz下的吸收性能。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)蜂窩相比導電涂層蜂窩復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，導電涂層蜂窩復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）設計的導電涂層蜂窩復合材料和傳統(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

本研究所設計的導電涂層蜂窩的吸收性能可以通過復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打印蜂窩骨架與導電涂層之間的協(xié)同效應將大大提高其吸收性能，為設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.