《Adv. Funct. Mater.》发表我院孔杰教授微波吸收-透过一体化超材料研究成果

近日，我院孔杰教授团队在Advanced Functional Materials期刊在线发表了题为《Integrated Electromagnetic Wave Absorption-Transmission via 3D-Printed Bilayered Metamaterial》的研究论文。

为实现高质量无线通信并有效抑制电磁干扰，吸透一体化材料在民用与军用领域均具有重要应用价值。目前，天线雷达罩多采用多层频率选择表面结构，虽能在通带内保持通信质量并通过吸收抑制带外干扰，但仍普遍面临吸收/传输带宽窄、过渡区域宽、层间距大等技术瓶颈。为解决上述问题，研究团队创新性地提出一种双层复合结构，将三维超材料吸波体与频率选择表面有机结合，实现了高性能的吸波-透波一体化功能。通过协同调控材料组分与几何结构，该设计显著优化了阻抗匹配特性。该双层结构总厚度仅为6毫米，在3.5–7 GHz频段内实现高效信号传输，同时在12–18 GHz频段内表现出优异的电磁波吸收性能。其综合带宽与结构厚度均优于现有吸透一体化材料。

学院2023级博士研究生孙寒旭为本文的第一作者，孔杰教授为通讯作者。该项工作得到国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划等资助。

论文信息：

Hanxu Sun, Tianyi Wang, Zhaofan He, Li Geng Ning, Qu Zhen Yu, Zhilong Yu, Ruizhe Xing, Jie Kong*. Integrated Electromagnetic Wave Absorption-Transmission via 3D-Printed Bilayered Metamaterial. Advanced Functional Materials, 2026, 10.1002/adfm.202531190.

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202531190

图文简介：

图1 改性聚合物基体、导电组分及其复合材料的表征结果。(a) 改性基体的合成路径示意图。 (b) 改性基体及其与不同含量EGaIn复合材料的光聚合放热过程热流曲线。 (c) 含复合材料的扫描电镜图像，显示两者交织形成的明显导电网络结构。 (d) 复合材料的光固化流变行为。(e) 块体材料横截面的扫描电镜及伪彩色元素分布图。(f) 计算机断层扫描分析。 (g) EGaIn微球尺寸分布图。

图2 电磁参数与吸波性能表征。(a) 不同含量的EGaIn的复合材料在2–18 GHz频段内的复介电常数实部与虚部。(b) 不同EGaIn含量复合材料在2–18 GHz频段内的介电损耗因子和归一化输入阻抗。理想阻抗匹配条件定义为|Zin/Z0|=1，以虚线标示。(c, d) 含10 wt.% EGaIn的代表性样品在不同厚度下的三维电磁波吸收分布图。(e) 含10 wt.% EGaIn代表性样品在不同厚度下的反射损耗曲线。(f)不同含量EGaIn的三种复合材料在相同厚度（2.3 mm）下的吸收带宽对比。(g) 不含EGaIn复合材料的Cole-Cole图。 (h) 含10 wt.% EGaIn复合材料的Cole-Cole图。(i) 含0 wt.%（红色曲线）与10 wt.%（蓝色曲线）EGaIn复合材料之间极化损耗和导电损耗的对比分析。

图3 三种代表性极小曲面超材料单元的模拟S参数曲线，包括（a, b）Schwarz P结构和（c, d）Gyroid Gradient结构在2-18 GHz频段内，随水平方向（XY平面）与垂直方向（Z轴）尺寸缩放的变化。

图4 双层超材料的制备与性能评估。(a, b) 制备的双层超材料（16 × 16 × 0.6 cm3）的照片图像。(c) 双层超材料在2-18 GHz频段内模拟（虚线）与实测（实线）的S11/S21参数曲线。(d) 双层超材料的透波、反射及吸收效率曲线。(e) 本工作双层超材料与其他已报道的吸波-透波一体化超材料的吸收频段与透波频段对比图。(f) 三维雷达对比图。

图5 所设计双层超材料中的模拟电磁场分布。(a, b) 伪彩色三维模型与图像展示了双层超材料在低频与高频下电场强度|E|和磁场强度|H|的模拟分布。(c) 伪彩色三维模型展示了双层超材料在低频（4 GHz）、中频（9 GHz）和高频（13 GHz）下的电磁能量损耗功率。(d) 不含EGaIn（0 wt.%）、含10 wt.% EGaIn的实心复合材料以及所制备超材料的史密斯圆图。

图6 双层超材料中电磁波耗散机制示意图。上层吸波超材料主要通过导电损耗和极化弛豫损耗实现电磁波的介电损耗：CNTs与EGaIn形成的导电网络促进导电损耗，而两者界面处的偶极子在电磁场作用下发生极化与弛豫，增强界面损耗。底部FSS起到频率筛选关键作用。

图7 针对通信信号传输与热效应的集成透波-吸波性能概念验证。(a, b) 无辐射初始状态，显示表面温度约为17.4°C。(c, d) 拨打箱内手机时，铃声清晰可闻，证实该材料在通信频段具备透波能力。持续30秒通话后测得表面温度为17.5°C。(e, f) 经单极化Ku波段标准增益喇叭天线的高频信号辐射30秒后，表面温度升至18.8°C。

图文/孙寒旭、郑聪

审核/陈凯杰