受渔网启发的宽带可调微波吸收超材料，具有极小的机械驱动行程

《Journal of Alloys and Compounds》：Fishing Net-Inspired Broadband Tunable Microwave Absorbing Metamaterial with Minimal Mechanical Actuation Stroke

机械调谐的微波吸收超材料设计，通过电感金属板垂直移动调控碳酰铁/环氧树脂复合材料厚度，实现2-40GHz连续可调吸收，厚度仅3.34mm，驱动行程2.9mm，等效电路与遗传算法优化提升性能。

　　近年来，随着电磁环境的日益复杂，对能够动态调节的微波吸收超材料（MAMs）的需求也在不断增长。然而，目前的可调MAMs在实际应用中仍面临诸多挑战，如高制造成本、较大的机械驱动行程以及有限的调节能力。为了解决这些问题，研究人员从自然界中汲取灵感，提出了一种基于渔网结构的新型机械驱动可调MAMs。该设计通过在未固化状态下的羰基铁粉/环氧树脂复合材料中垂直移动一个感应金属板，实现了对电磁波吸收特性的可调控制。这种方法不仅提高了吸收性能的可调性，还显著减少了机械驱动所需的行程，从而增强了其在复杂电磁环境中的适应能力。

微波吸收材料在现代科技中扮演着重要角色，尤其是在减少电磁污染和降低雷达散射截面（RCS）方面。这些材料通过高效的电磁波到热能的转换，帮助抑制不必要的电磁信号。自2008年MAMs概念提出以来，其凭借亚波长结构设计所带来的卓越电磁波操控能力，吸引了大量研究者的关注。随着人工架构的引入，微波吸收材料正逐渐向多功能电磁设备转变，同时保持其出色的微波吸收性能。例如，一些研究通过多层结构或复合材料实现了红外隐身和辐射冷却的结合，而另一些则利用晶格掺杂原理开发了超薄宽带MAMs。此外，通过光子晶体的集成，MAMs还能够实现多频段协同调节。这些创新推动了微波吸收材料在实际应用中的进步，使其在雷达隐身、电磁兼容性（EMC）以及无线通信等领域展现出广阔前景。

然而，现有的多功能MAMs大多在制造完成后表现出静态的电磁响应特性，难以应对日益复杂的电磁环境，特别是在军事场景中，面对频率可变的雷达探测需求，静态响应的局限性尤为明显。因此，开发能够实现动态调节的MAMs成为突破这一瓶颈的关键。目前，实现可调MAMs的主要策略包括通过多物理场耦合调节电磁特性，以及通过机械驱动结构实现形状重构。例如，利用外部偏压电压对双层石墨烯进行调控，能够实现对微波吸收带宽、谐振频率、强度和谱形的精确控制。此外，变容二极管、可逆金属电沉积、等离子壳、MXene薄膜以及PIN二极管等材料也被用于电压偏置调节的微波吸收。另一种方法是通过外部磁场对钴铁基磁针、氢等离子体和铁氧体等材料进行调控，从而改变其电磁特性。此外，外部微波照射或相变材料（如VO?）的热调控也被用于实现可调微波吸收。尽管这些外部场调控方法能够在一定程度上实现快速调节，但它们在实际应用中仍面临制造工艺复杂、成本高昂以及额外能耗等关键问题。

相比之下，通过机械驱动实现结构重构的可调MAMs则提供了一种更具潜力的解决方案。例如，Miura折纸结构和交叉结构的折叠状态调整已被用于调控微波吸收性能，但这些方法通常需要较大的机械驱动行程，限制了其在实际中的应用。形状记忆材料因其在外部刺激下能够暂时保持和恢复特定形状的特性，也被引入到可调MAMs中，但其可重构状态有限，难以适应复杂的电磁环境。此外，通过控制Kresling折纸结构或介电弹性体的空间配置来实现调节，虽然具有一定的可行性，但受限于空气的低介电常数，其对电磁响应的调节能力有限。利用微流控通道控制水基底厚度的方法虽然能够实现微波吸收特性的调节，但其调整速度较慢。而在弹性泡沫或气凝胶中通过压力驱动调节厚度的方法，由于厚度变化与电磁参数之间存在反向关系，导致吸收性能的调节受到限制。

为了解决上述问题，本文提出了一种新的机械驱动可调MAMs设计，其灵感来源于渔网结构。该MAMs的核心组件是一个带有方形孔洞的感应金属板，能够实现宽带电磁波的阻断，同时具备吸收性能的调节能力。通过将具有流动特性的未固化羰基铁粉/环氧树脂（CIP/EP）复合材料与该金属板结合，使得在极小的机械驱动行程下，即可实现显著的微波吸收调节。这种设计不仅降低了制造成本，还提高了材料的可调性，使其能够适应更广泛的电磁环境需求。

在具体实现中，该MAMs由四个主要部分组成：（i）由未固化CIP/EP复合材料构成的磁性材料（MM），其中羰基铁粉占总质量的85%；（ii）由聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）制成的电阻性薄膜（RF），具有特定的面电阻；（iii）作为空气间隔层的聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫；以及（iv）由不锈钢（SS）制成的感应金属板。通过对CIP质量比例的优化，研究人员在保证机械驱动行程与CIP/EP复合材料粘度之间取得平衡的同时，也确保了材料的高电磁参数性能。这种结构设计不仅提高了微波吸收的效率，还增强了材料在不同电磁环境下的适应能力。

在性能测试方面，该MAMs在厚度仅为3.34毫米的情况下，实现了6.25至40 GHz的宽带有效吸收。更令人印象深刻的是，通过调整感应金属板的高度，该MAMs的吸收带宽进一步扩展至覆盖整个2-40 GHz范围，所需的机械驱动行程仅为2.9毫米。这一成果表明，该设计在实现高效微波吸收的同时，还显著减少了机械驱动的需求，从而提高了其在实际应用中的可行性。实验结果通过手动调节装置进行了验证，与模拟结果高度一致，证明了该调节策略的有效性。

从技术角度来看，该MAMs的设计充分利用了磁性材料与电阻性薄膜之间的协同作用。磁性材料能够有效吸收低频电磁波，而电阻性薄膜则对高频电磁波具有较强的吸收能力。两者的结合使得MAMs能够在较宽的频率范围内实现稳定的电磁波吸收。此外，通过机械驱动调节感应金属板的位置，能够改变电磁路径的长度，从而实现对吸收性能的连续调节。这种调节方式不仅灵活，而且在实际应用中具有较高的可控性，使得MAMs能够根据不同的电磁环境需求进行动态优化。

该研究的成果为可调MAMs的实际应用提供了新的思路。传统的微波吸收材料通常具有固定的吸收特性，难以满足动态变化的电磁环境需求。而本文提出的MAMs通过机械驱动实现连续调节，不仅提高了吸收性能的可调性，还降低了制造和使用成本，使其在军事、通信、电子设备保护等领域具有广泛的应用前景。特别是在需要应对频率可变雷达信号的军事场景中，这种能够动态调整吸收带宽的材料将发挥重要作用。

此外，该研究还强调了在设计过程中采用等效电路理论和遗传算法优化的重要性。通过等效电路理论，研究人员能够更直观地理解MAMs的电磁行为，并据此进行结构设计。而遗传算法的引入则有助于在众多可能的参数组合中找到最优解，从而提高设计效率。这一优化策略不仅确保了MAMs在宽带范围内的有效吸收，还使其在不同角度入射的电磁波条件下仍能保持良好的吸收性能，进一步拓展了其应用场景。

总的来说，本文提出的机械驱动可调MAMs在多个方面实现了技术突破。首先，它通过仿生设计实现了结构的优化，提高了材料的吸收性能。其次，它在制造成本、机械驱动行程和调节能力之间找到了平衡点，使得该材料在实际应用中更具可行性。最后，它通过结合等效电路理论和遗传算法优化，为可调MAMs的设计提供了新的方法论，为后续研究奠定了基础。这些创新不仅推动了微波吸收材料的发展，也为应对日益复杂的电磁环境提供了有效的解决方案。