利用涂有Ag/g-C?N?的聚氨酯过滤器实现高效光催化灭藻，该过滤器具有更好的稳定性和可重复使用性

《Materials Science and Engineering: B》：High-efficiency photocatalytic inactivation of algae using Ag/g-C?N?-coated polyurethane filters with enhanced stability and reusability

本研究提出了一种双向梯度超结构设计，结合垂直和水平梯度结构，采用PEEK/铁氧体复合材料通过3D打印制备，有效吸收带宽达2.1-16 GHz，反射损耗低于-15 dB，实验验证其低频和高频性能优异，角稳定性达50°，为电磁隐身和屏蔽提供新策略。

　　

段玉冰|邢浩|刘畅|沈大为

河南科技大学机电工程学院，洛阳471003，中国

摘要

在军事和民用领域，对先进电磁吸收材料的需求不断增加，这推动了对基于超结构的吸收体的广泛研究。然而，传统的设计通常仅依赖于垂直梯度配置，由于损耗协同作用不足和几何参数空间狭窄，它们在实现有效的低频和宽带吸收方面存在固有局限性。为了解决这些挑战，本研究提出了一种双向梯度超结构，该结构将垂直和水平梯度设计相结合。该超结构采用聚醚醚酮/片状羰基铁颗粒（PEEK/FCIP）复合丝材通过熔融沉积建模（FDM）技术制造而成。通过系统模拟和多参数优化，所设计的超结构整合了多种耗散机制，包括四分之一波长共振、多腔共振和边缘衍射。优化后的超结构在总厚度为10毫米的情况下，展现出从2.1 GHz到16 GHz的有效吸收带宽，在2.5–4.6 GHz和6.6–11 GHz范围内具有强吸收效果，反射率低于-15 dB。实验结果与模拟结果高度吻合，并证明了其在横向电（TE）和横向磁（TM）极化方向下高达50°的出色角度稳定性。这项工作为克服超结构设计中低频和宽带吸收之间的权衡提供了一种可行且可扩展的策略，在电磁隐身和屏蔽应用中展现出巨大潜力。

引言

如今，随着电子技术的蓬勃发展，军事和民用领域对高性能微波吸收材料的需求日益迫切[1]、[2]。与其他类型的微波吸收材料相比，由周期性人工结构组成的超结构因其在材料-结构-功能一体化设计方面的强大能力而受到广泛研究[3]、[4]、[5]。多功能复合材料的探索也受到了相当大的关注。在微波吸收领域，传统的微波吸收填料和高效能量存储化合物（如先进的电介质和铁电材料）越来越多地被用于电磁复合材料[6]。它们的可调极化特性和结构兼容性使得它们能够协同集成到超结构中，为同时增强电磁损耗和能量存储能力提供了有希望的途径[7]、[8]。更广泛地说，基于各种聚合物基体的现代复合材料在实际电磁应用中展现出巨大潜力。通过添加导电或磁性颗粒等功能性填料，这些复合材料可以具有定制的电导率、介电常数和磁导率，从而精确控制其电磁响应[9]、[10]。此外，对于同时要求性能和耐久性的实际应用而言，复杂的铁氧化物（如铁氧体）是一类非常有前景的材料[11]。与许多金属或聚合物相比，它们具有优异的电磁性能以及出色的热稳定性和化学稳定性，使其成为电磁超结构的理想功能组件。特别是，金属化合物及其合金在高频率下存在显著的涡流损耗问题，这限制了它们的有效微波吸收能力。六铁氧化物本质上没有这个问题，这一特性加上它们在极端条件下的强稳定性，使六铁氧化物成为高性能微波应用的理想候选材料[12]。此外，结构设计原理在开发高性能电磁屏蔽材料方面被证明非常有效，通过调节电磁参数，可以定制各种配置以实现出色的屏蔽效果[13]、[14]。通过有效地结合材料的损耗特性和空间配置，这些超结构可以在宽频率范围内操控微波传播，产生诸如电磁共振和色散等特殊物理现象[15]、[16]、[17]、[18]。由于它们在实现高性能微波吸收方面的固有潜力，加上先进的制造方法能够快速原型化复杂设计，各种超结构引起了广泛关注和兴趣[19]、[20]、[21]。

基于有效介质理论的梯度超结构设计已被广泛用于优化微波吸收性能[22]、[23]。包括梯度金字塔超结构[24]、[25]、[26]、蜂窝结构[27]、[28]和桁架超结构[30]、[31]在内的各种结构配置可以有效诱导微波共振和衍射现象，从而增强电磁耗散。这些架构利用多层维度和阻抗梯度，先进的3D打印制造技术使得它们特别适合通过精确的几何控制来提升微波吸收性能。然而，当前的超结构设计主要采用垂直梯度，这从根本上限制了它们在低频范围内的损耗扩展能力，因为它们通过不同的结构机制产生电磁损耗。这一限制需要创新的结构设计来进一步利用梯度协同效应，提高带宽内的低频损耗。

此外，研究人员还开发了越来越复杂的超结构，通过结合多种结构配置来实现增强的微波吸收[32]、[33]、[34]、[35]。一个典型的例子是将蜂窝结构与梯度金字塔结构相结合，将蜂窝结构的多腔共振损耗与金字塔设计的阻抗梯度匹配特性结合起来，以实现宽带吸收的增强[36]。此外，研究表明，超结构尺寸的变化显著影响吸收性能，例如嵌套的方形环结构通过逐渐缩放的边长，使得单个环的损耗特性叠加，实现了32.64 GHz的宽吸收带宽，并将低频吸收扩展到7.36 GHz[37]。另一种创新方法是将梯度金字塔结构和十字形结构相结合，利用它们的互补优势大幅扩展有效吸收带宽，通过优化的尺寸参数实现了3.7 GHz的低频吸收起始[38]。虽然这些研究成功探索了结构混合在低频和宽带扩展方面的潜力，但当前的设计仍受到单元格配置空间有限和由于垂直堆叠的多形式或多尺度结构中的相互干扰效应而导致的损耗协同作用受限的制约，从而无法完全实现它们结合的损耗增强能力。

本文提出了一种新的结构设计策略，通过整合垂直和水平梯度配置来扩展超结构的低频和宽带吸收能力。吸收超结构的性能从根本上取决于其组成材料的电磁特性。将具有定制损耗特性的第二相（如磁性羰基铁颗粒）战略性地结合到聚合物基体中，是通过界面和协同效应创造具有增强电磁性能的复合材料的既定方法[39]。这一原则指导了我们后续的结构材料选择。基于系统模拟，研究了通过迷宫多腔共振结构及其尺寸参数的微波吸收调制，开发了一种优化的双向梯度超结构。所提出的超结构使用熔融沉积建模（FDM）3D打印技术制造，实验表征证明了其增强的宽带吸收效率和扩展的低频损耗能力。因此，这种双向梯度设计为在实际工程应用中改善电磁耗散提供了一种突破性方法，特别解决了传统超结构中低频吸收扩展受限的长期问题。

部分摘录

材料与制备

超结构的电磁性能从根本上取决于其组成材料，这些材料可以通过各种化学和物理方法合成。例如，复杂的氧化物前体通常通过固态反应制备[40]，而具有定制微结构的金属合金可以使用电沉积等先进技术制造[41]。虽然这些合成方法对于开发新的功能材料至关重要，但本研究重点关注

复合材料的表征

制造的PEEK/FCIP复合丝材的形态和电磁特性是超结构性能的基础。图3(a)展示了通过高温挤出工艺制备的FCIPs-PEEK复合丝材，其中FCIPs在PEEK基体中的最佳分散是通过螺杆诱导的剪切力实现的。如图3(b)所示，3D打印复合丝材的横截面呈现出高度均匀的特性

结论

为了扩展低频和宽带微波吸收性能，通过FDM 3D打印制备了具有不同结构参数和组合的PEEK/FCIPs复合材料与设计的双向梯度迷宫超结构。所设计的超结构在总厚度为10毫米的情况下，可以在2.1–16 GHz的频率范围内实现有效的微波吸收，且低频点可以通过所设计的超结构有效扩展

CRediT作者贡献声明

段玉冰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法学，资金获取，形式分析，数据管理。邢浩：验证，资金获取。刘畅：项目管理。沈大为：撰写 – 审稿与编辑，监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了CPSF博士后奖学金计划的支持，授予编号为GZC20250904。