DIW直写3D打印柔性微波吸收器

摘要：清华大学李勃教授团队在《Advanced Materials Technologies》发表了题Topological Flexible 3D Microwave Perfect Absorber的研究，通过将传统吸波材料与超材料相结合来实现完美吸收和增强微波

行业新知

清华大学李勃教授团队在《Advanced Materials Technologies》发表了题Topological Flexible 3D Microwave Perfect Absorber的研究，通过将传统吸波材料与超材料相结合来实现完美吸收和增强微波吸收的方法，并对所制备的微波吸收器进行了性能测试和理论分析。

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研究内容

吸波材料按工作机理和制造工艺可分为传统材料和超材料。传统材料包括碳基、铁氧体基和聚合物基材料等，它们各有优缺点，如传统材料存在吸收能力有限和带宽较窄等问题。超材料具有灵活的设计性，可通过调整结构参数来改善吸收性能，但加工高频超材料通常困难、耗时且成本高。

本研究探讨了一种创新方法，通过将传统波吸收材料与超材料相结合，实现完美吸收和微波吸收增强的研究。具体而言，研究集成了吸收型基底膜（BM）与3D木堆（WP）光子晶体。这两者均采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为基体材料，结合羰基铁粉（CIP）作为吸收剂，形成灵活的复合材料。

使用直接墨水书写（DIW）（型号ADT-3D-LB-Printer-0050）设备，制造了具有单一或耦合浓度吸收剂的三维光子晶体。实验结果表明，集成吸收体的10 dB带宽可达到10 GHz，并在0°至50°的广泛入射角范围内，最大吸收能力超过100 dB。通过调控BM中吸收剂的浓度，吸收峰值的频率可以在6至16 GHz之间灵活调节。具体步骤如下：

△图1，制造过程的示意图说明(a) BM 和 3D WP 光子晶体的制造程序。将高频 CIP 与硅弹性体混合，生成用于 BM 的胶带铸造前驱体（底行）或用于 WP 的直接墨水写入（顶行）。耦合 WP 在每层之间使用两种 CIP 浓度进行书写。(b) 3D WP 光子晶体的逐层打印（奇遇科技直写DIW 3D打印设备（型号ADT-3D-LB-Printer-0050））示意图。整体吸收器包括 BM 与单一 WP 或耦合 WP 的集成。(c) BM-耦合 WP 集成吸收器在 10.76 GHz 时的最大吸收超过 100 dB。含有 89%、87%、85%、83% 和 80% CIP 的 BM 分别定义为 89 BM、87 BM、85 BM、83 BM 和 80 BM。单一 WP 含有 10%、20%、30%、40% CIP，分别定义为 10WP、20WP、30WP、40WP。耦合 WP 含有 10% 和 20%、10% 和 30%、10% 和 40%、20% 和 30%、20% 和 40%、30% 和 40% CIP，分别定义为 10/20WP、10/30WP、10/40WP、20/30WP、20/40WP、30/40WP。

△图2，波吸收 BM 和 3D WP 材料的特性(a) 10WP 和 30WP 复合墨水的表观粘度与剪切速率的关系。(b) 10WP 和 30WP 复合墨水的弹性模量 (G’) 和粘弹性模量 (G’’) 随施加剪切应力的变化。(c) 制造的 BM-耦合 WP 集成微波 3D 吸收器的图像以及 WP 的几何特性（厚度和尺寸）。(d) 在施加力至断裂拉伸时，85 BM 和 30WP 的机械性能。(e) BM 和 3D WP 光子晶体的柔韧性。

△图3，集成微波吸收器的电磁仿真(a) 几何布局。顶部的四层圆柱体为 3D 耦合的 10/40WP 光子晶体，底层为 85 BM。(b) 仅包含 BM 的系统与包含 BM 和耦合 WP 的整体吸收器的模拟总功率损耗密度分布。(c) 电场分布显示 WP 光子晶体在 9 GHz 时的共振。(d) BM 和由 BM 与 WP 组成的整体吸收器的模拟反射率谱。

△图4，微波吸收器的反射率(a) 不同 CIP 浓度的单一 WP 制成的 BM。(b) 不同浓度对的耦合 WP 与 BM。所有 BM 的质量分数为 85%。反射率谱如下：(c) 85 BM 与 10WP，(d) 85 BM 与 10/30WP，(e) 85 BM 与 30WP，在 𝜃 = 10°、20°、30°、40°、50° 和 60° 下的表现。(f) BM-10/30WP 吸收器与 BM-10WP 或 BM-30WP 吸收器在不同角度下的吸收增强。(g) 通过将 BM 的浓度从 89% 调整至 80%，共振频率从 6 GHz 工程化到 16.5 GHz。

△图5，实验测量的完美吸收引发的反射奇点和拓扑电荷，在频率和方位角的参数空间中， (a, c, e) 反射相位和 (b, d, f) 反射幅度针对不同入射仰角（从上到下为 40°、30° 和 20°）进行测量。拓扑电荷表明耦合 WP 对参数的无序具有鲁棒性。

结论

研究了一种集成了基膜和DIW打印的3D木堆光子晶体微波吸收器。该3D吸收器具有良好的灵活性、大的吸收带宽，以及由吸收奇点诱导的拓扑荷。内部微波在进入吸收器后，通过磁损耗和共振耗散实现吸收。通过将WP与BM集成，在所有测试的入射角（范围从10°到60°）下，吸收带宽高于90%的有效范围扩展至约10 GHz。特定吸收带的范围与BM中的CIP浓度密切相关，这意味着可以通过控制和调整CIP浓度来制造具有可设计吸收频带的工程吸收器。与单个WP的BM相比，耦合的WP显著增强了通过共振增强的微波-物质相互作用对波的吸收。此外，耦合的WP通过拓扑荷的鲁棒性保护了完美吸收点，确保其不会消失，实现了一致的完美吸收。