编辑推荐：
3D打印制备梯度填充复合微波吸收材料，厚度9mm实现11.8GHz等效带宽（4.13-5.92/7.99-18GHz），兼具极化不敏感与宽角吸收特性。通过优化多材料复合单元胞结构，协同界面极化、导电损耗与边界衍射机制，在6mm厚度下仍保持9.83GHz带宽及-46.46dB最小反射损耗。较传统单材料结构厚度减少33%，体积缩减61%，实现轻量化与高性能的协同突破。
作者：何恩艺|张瑞祥|谭书琪|叶希聪|何振宇|程宇|叶永生|吴海华|宋波
中国三峡大学机械与动力工程学院，宜昌443002
摘要
设计和制备具有超宽带和宽角度吸收特性的微波吸收材料是解决电磁污染问题的关键。本研究基于先前开发的锌铁氧体中空复合微球和还原氧化石墨烯复合材料，采用3D打印技术制备了填充型梯度结构吸收体，并优化其结构参数以获得最佳吸收性能。实验结果表明，该吸收体在厚度为9毫米时，能够在4.13–5.92 GHz和7.99–18 GHz的频率范围内实现11.8 GHz的等效吸收带宽（EAB）。它表现出出色的极化不敏感性，在TE和TM极化模式下均显示出稳定的宽带、宽角度吸收性能。梯度结构设计有效改善了吸收体与自由空间之间的阻抗匹配，促进了电磁波的进入。宏观边界衍射和微观吸收机制的协同效应进一步增强了吸收性能。此外，通过组合不同的吸收材料并用最合适的复合材料填充梯度层，该吸收体在物理厚度为6毫米时实现了9.83 GHz的EAB，最小反射损耗为-46.46 dB。与单材料吸收体阶梯结构相比，多材料吸收体阶梯结构的总厚度减少了33%，体积减少了61%，为轻量化吸收体的开发提供了重要参考。
引言
低可观测性技术是提高现代作战平台战场生存能力和任务效能的基石。通过有效减弱目标的雷达截面积（RCS），该技术显著降低了被敌对力量发现和跟踪的可能性[1]，[2]。近年来，基于周期性单元的吸收结构作为实现电磁隐身的主要途径受到了严格研究[3]，[4]。然而，现代侦察和制导系统向更高频率段的扩展对材料性能提出了越来越严格的要求[5]，[6]。下一代吸收体不仅需要具备高效的宽带吸收和轻量化特性，还需要在复杂操作条件下具备优异的结构稳定性和环境耐久性，以承受机械载荷和侵蚀[7]。因此，在多物理场框架内协同优化电磁、机械和化学性能已成为当前研究的关键挑战和重点[8]，[9]。
微观损耗机制是吸收体设计的物理基础。虽然基于碳的材料（如还原氧化石墨烯（rGO）因其低密度、优异的介电损耗和卓越的热化学稳定性而备受青睐，但它们通常存在阻抗匹配不良和单一损耗机制的问题。因此，充分发挥其潜力通常需要结构工程或其他材料的混合[10]，[11]。锌铁氧体（ZnFe?O?）作为一种代表性的磁性铁氧体，不仅具有优异的磁损耗和阻抗匹配性能，还具有出色的抗氧化和抗腐蚀性能，适用于恶劣环境；然而，其应用受到高比重和相对较窄的有效吸收带宽的限制[12]。rGO和ZnFe?O?的复合材料有效缓解了各组分的固有缺点，实现了性能的重大突破[13]。这一策略的核心在于构建协同的介电-磁损耗系统并优化整体阻抗匹配。具体来说：（1）rGO提供介电损耗，而ZnFe?O?贡献磁损耗，共同拓宽了吸收带宽；（2）两种相之间的异质界面诱导界面极化，引入了额外的损耗路径；（3）作为轻质支架，rGO防止ZnFe?O?颗粒聚集，并建立导电网络，从而降低密度，满足“薄、轻、宽、强”的吸收体要求。此外，这两种材料的成本相对较低。
在宏观结构层面，通过设计单元排列和堆叠模式，可以有效调整吸收体的等效电磁参数和阻抗匹配行为。这种方法促进了多种损耗机制的集成，实现了高效且可调的电磁波吸收[14]，[15]，[16]。常见的吸收结构包括金字塔形、平面形、蜂窝形以及各种仿生配置[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]。例如，高等人[23]使用3D打印技术制备了CIP@C@CB/PLA核壳复合材料阶梯结构。利用多种界面极化和协同的介电-磁损耗机制，他们在5.5–18 GHz频率范围内实现了超过90%的吸收率，最大反射损耗为-61.92 dB，有效吸收带宽（EAB）为12.5 GHz，并具有宽角度吸收能力和优异的机械性能。类似地，严等人[24]使用3D打印技术开发了由（CoCrFeMnNi）?O?@C-GR/PLA高熵复合材料组成的十字箭头梯度结构。通过优化多材料组合和几何参数，他们实现了优异的阻抗匹配。结合界面极化、导电损耗和边缘衍射效应，他们的设计在7.2毫米厚度下实现了12.24 GHz的超宽EAB（5.76–18 GHz）。值得注意的是，在TE极化角度高达55°和TM极化角度高达65°的情况下，EAB仍保持在9 GHz以上，同时密度仅为1.55 g/cm3。这种性能体现了先进吸收体所需的“宽、薄、轻、强”特性。此外，3D打印技术能够快速原型化复杂的定制梯度结构，使其在小批量生产或定制电磁解决方案中具有很高的成本效益。
在微观材料损耗和宏观结构设计的指导下，本研究提出了一种填充型阶梯结构吸收体。使用定制合成的rGO-ZnFe?O?复合微球作为功能性填料，我们利用3D打印技术制备了具有明显梯度特征的阶梯复合框架。通过严格的多参数优化和战略性层间设计，显著增强了阻抗匹配和多种损耗机制之间的协同效应。所得吸收体在广泛的频率范围内和多种入射角度下表现出优异的性能。此外，在减重方面也取得了显著进展，为结构吸收材料的发展提供了理论见解和实际基准。
材料与制备方法
锌铁氧体（ZnFe?O?）购自北京中科新诺新材料科技有限公司。还原氧化石墨烯（rGO）来自宜昌新成石墨有限公司。环氧树脂（EP，E-44型）购自上海奥通化学科技有限公司。乙基纤维素（EC，M70型）和切片石蜡购自国药化学试剂有限公司。二氯甲烷（CH?Cl?）和十二烷基苯磺酸钠（SDBS）由天津智源化学试剂公司提供
单元格选择与性能比较
基于多尺度设计原则和从微观界面到宏观结构的阻抗匹配，我们设计并制备了一种具有优异微波吸收能力的吸收体。具体而言，制备过程包括使用熔融沉积建模（FDM）技术用PLA制造周期性单元格的壳体，PLA以其优异的透波性能而闻名。然后在该壳体中填充中空复合微球以完成制备
层间材料组合方案的设计
先前的结果表明，当周期性单元格结合方形和圆形几何形状时，阶梯吸收体能够实现最佳性能。在此基础上，我们进一步研究了吸收剂层间分布对吸收体性能的影响。如图10(a)所示，除了不含rGO的组外，其余五组的反射损耗曲线几乎相同，仅存在微小差异
单材料样品的制备与分析
为了验证仿真结果，使用3D打印技术制备了复合阶梯吸收体的壳体。将合成的复合微球与石蜡混合并用作填充材料。为了确保阶梯结构内填充物的电磁参数与同轴环实验数据一致，在成型过程中实施了严格的密度控制以匹配同轴样品的密度
等效阻抗匹配特性
阻抗匹配是电磁波有效进入吸收体的前提。为了研究单材料和多材料阶梯结构的匹配特性，分析了它们的等效阻抗（Zeff）。理想的阻抗匹配要求Zeff的实部接近1，虚部接近0 [35]，[36]。
如图21(a)和21(b)所示，单材料结构在
结论
为满足微波吸收材料的实际需求，本研究利用3D打印技术和高性能吸收填料，通过结构优化制备了填充型阶梯结构吸收体，从而实现了高效的电磁波吸收。在单吸收体系统中，该装置在9毫米厚度下实现了11.8 GHz的EAB。它在倾斜入射下表现出强大的角度稳定性和极化不敏感性
作者贡献声明
何恩艺：可视化、验证、监督。张瑞祥：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。谭书琪：数据管理、概念化。叶希聪：方法论、研究、正式分析。何振宇：资源、项目管理。程宇：监督、软件。叶永生：可视化、验证。吴海华：可视化、监督、软件。宋波：方法论、资金获取。
资助
本研究得到了华中科技大学材料加工与模具技术国家重点实验室的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
