南京理工大学，基于碳墨复合材料的编码超材料的最新设计策略！

【研究背景】

随着电磁隐身和电磁兼容性需求的增加，微波吸收超材料逐渐引起了广泛关注。超材料是一种人工结构材料，能够在亚波长尺度上操控电磁波，以实现自然界无法达到的特性。然而，当前超材料设计面临的主要挑战是如何实现宽吸收带宽，同时保持较薄的材料厚度。吸收带宽的扩展通常受阻于不同频率下的阻抗匹配问题，并且材料厚度影响入射波的相位，使得设计薄型超材料的难度加大。此外，如何在复杂的多维设计空间中优化超材料的电场效应，最大化吸波效果，也成为研究的关键问题。

超材料的波吸收主要通过能量耗散实现，通常是将吸收的电磁能量转化为热能。传统方法如利用集总电路元件（电阻、电容）或磁性材料进行能量损耗，已经取得了一定的进展，但这些方法在宽带吸收效果和材料设计复杂度上仍然存在局限。为了解决这些问题，研究人员开始探索更复杂的图案设计，其中包含了不同几何形状的二维图案，并通过编码图案的形式进一步扩展了设计空间。编码图案可以表达简单和复杂的几何结构，但如何高效地设计和优化这些图案仍然是一个亟待解决的挑战。

为此，南京理工大学廖文和研究团队在Composites Part B: Engineering期刊上发表了题为“A Pattern Design Strategy for Microwave-absorbing Coding Metamaterials with Tortuosity and Connectivity”的最新论文。科学家们采用了一种基于碳墨复合材料的编码超材料设计策略，并结合遗传算法（GA）优化了多层编码超材料的结构设计。本研究通过遗传算法生成了大量具有不同几何特征的图案，并对其进行了反射率测试，验证了这些编码超材料在宽带吸收方面的优越性。同时，通过模拟温度变化实验，评估了这些材料在频繁环境波动中的稳定性和吸收性能。

本研究成功解决了宽带微波吸收超材料设计中的阻抗匹配和厚度优化问题。通过将编码图案与遗传算法相结合，本研究提出了一种高效的设计方法，能够在多维设计空间中寻找最优图案，从而实现了吸收带宽的显著提升，并确保了材料在复杂热环境中的稳定性。这一研究为微波吸收超材料的进一步发展提供了新的思路与技术支持。

【本文亮点】

l  本研究提出了一种新颖的图案设计策略，显著增强了波吸收效果，这对于获得更好的隐身性能和电磁兼容性的超材料至关重要。

l  该设计策略的应用使遗传算法能够实现具有更宽吸收带宽的编码超材料，以满足各种工程需求，并通过反射率测试验证其有效性。

l  多层编码超材料的吸收率在温度变化下进行了严格评估，展示了其在动态热环境中的抗性和稳定性。

【图文解读】

图1. 多层编码超材料（MCMs）由导电碳墨图案组成，采用丝网印刷技术施加在PEEK基板上，并通过3D打印的蜂窝结构进行加固，背面附有铜膜。为了防止碳墨受到摩擦磨损，PI薄膜粘附在PEEK表面。最终的MCMs产品通过使用耐高温的航空航天胶水将这些组件粘合在一起，确保了高级应用中的耐用性和结构完整性。

图2. 导电碳复合材料的形貌。（a）10 μm尺度下的扫描电子显微镜（SEM）图像。（b）3 μm尺度下显示出多孔形貌的SEM图像。（c）1 μm尺度下显示出海绵状形貌的SEM图像。

图3. 编码超材料设计的工作流程。与传统图案不同，编码图案被用于超材料的后续设计，允许表达更复杂的设计。生成了数千种图案的数据集进行分析，结果表明具有高复杂性和连接性的图案在电磁波吸收方面更为有效。然后利用改进的遗传算法（GA）智能设计MCMs。

图4. 电磁波吸收机制及三种图案样式的比较。（a）在表面检测电流、电场和能量损失，每个场通过电磁仿真在共振点处获得。（b）等效电路分析、反射率和等效阻抗的比较。（c）复杂性和连接性较高的图案、连接性较弱的图案以及复杂性较弱的图案的形成比较。反射率图表明，复杂性和连接性较高的图案吸收的波能量最多，达到-48 dB的反射率。

图5. 复杂性和连接性的计算发现。（a）随机生成的编码图案的分布，反射率最低的图案显示在右侧。结果表明，这些图案大体遵循圆形规则和连续规则。（b）具有复杂性和连接性的切片图。潜在区域表明，具有适当复杂性和连接性的图案反射的微波更少，吸收的能量更多。

图6. 编码超材料的优化及从1层到4层结构的最佳结果。数据集中的所有MCMs都具有金属背板作为反射面，整个系统属于单端口网络。左侧结果通过应用复杂性（tor.）和连接性（con.）原则进行优化，而右侧结果为随机优化的图案。分数带宽用于测量波吸收的频率宽度，通过2(fmax - fmin)/(fmax + fmin)计算，其中fmax为反射率低于-10 dB的最大频率，fmin为反射率低于-10 dB的最小频率。相对厚度用于根据吸收波长测量超材料的厚度，通过H/λmax计算，其中H为总厚度，λmax为反射率低于-10 dB的最大的波长。Ob表示反射率低于-10 dB的工作带宽

图7. 基于碳基材料和电损耗的对比分析。（a）参考-10 dB反射率的设计与其他超材料的比较。（b）在波长方面的比较。H表示总厚度。

图8. 反射率特性。（a）对设计-8编码超材料在横电（TE）模式和横磁（TM）模式下反射率的仿真。（b）对设计-8编码超材料在TE模式和TM模式下反射率的实验。

图9. 温度变化实验。（a）温度变化试验箱。（b）试验前产品在试验箱内准备。（c）单个温度变化周期，共进行7个周期。（d）实验前后设计-8产品吸收率的差异。A2为实验后的吸收率，A1为实验前的吸收率。

【结论展望】

本研究通过创新的设计策略和遗传算法，探索了多层编码超材料（MCMs）在宽带微波吸收中的应用，为超材料的设计提供了新的思路。首先，通过分析具有曲折性和连接性的图案，展示了其在电磁波吸收中的优势，强调了设计复杂结构的重要性。这一发现不仅丰富了超材料的设计方法，也为解决传统材料在宽带吸收中的局限性提供了有效途径。此外，研究还验证了碳墨复合材料在温度变化环境下的稳定性，展现了其在实际应用中的可靠性。这表明，超材料在动态热环境下的性能保持对于高端应用具有重要意义。最后，结合温度变化实验的结果，提示未来在材料设计中应考虑环境适应性，从而推动超材料在隐身技术和电磁兼容性方面的进一步发展。这项研究不仅为相关领域提供了科学启示，也为实际应用中超材料的开发和优化奠定了基础，具有广阔的前景。

文献信息：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111880" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111880