3D打印仿生手性螺旋-涡旋超结构：15 mm厚度实现5.2–18 GHz宽带电磁波吸收

《Materials & Design》：3D printed bioinspired chiral helical-vortex metastructures for broadband electromagnetic wave absorption

　　

• 一种仿生手性螺旋-涡旋超结构（metastructure）在总厚度仅15 mm时实现覆盖5.2–18 GHz的电磁波（EM）吸收。
• 双螺杆共混（twin-screw compounding）后接单螺杆挤出（single-screw extrusion）使填料在聚乳酸（PLA）中均匀分散。
• 梯度固相分数（solid fractions）解决电导率超过1 S/m的高导电复合材料的阻抗失配（impedance mismatch）。
• 连续扩展的螺旋片层（helical laminae）与空气腔（air cavities）实现延长传播路径、多重反射和轻量化设计。

该研究由Mingming Wang、Yahui Qi、Zhikun Zhang、Ning Wang、Jiaqi Liu、Long Fu、Weijun Zhu、Dongsheng Li等完成。随着雷达探测系统以及以5G/6G基站、无线局域网设备和高速铁路通信系统为代表的无线通信技术广泛应用，电磁（EM, electromagnetic）污染与干扰日益严重。高性能EM波吸收体需要兼具宽有效吸收带宽（EAB, effective absorption bandwidth，指反射损耗（RL, reflection loss）≤?10 dB的连续频率范围）、轻量、薄厚度和强吸收。然而，传统EM波吸收体主要依赖材料本征损耗和四分之一波长共振，在拓宽EAB与轻量化之间存在根本性权衡。人工超结构因EM响应可精确调节而受到关注，但现有手性吸收体多限于二维超表面且带宽较窄；高导电复合材料存在阻抗失配；复杂三维结构难以通过传统模压、激光切割和焊接等工艺制造。自然界中植物螺旋叶序、手性角质层等提供设计灵感。因此，研究人员提出并制备了一种三维周期对数螺旋-涡旋超结构，采用多壁碳纳米管（MWCNTs, multi-walled carbon nanotubes，一种一维管状碳纳米填料）/聚乳酸（PLA, polylactic acid，一种可打印生物基聚合物）复合材料，通过熔融长丝制造（FFF, fused filament fabrication，一种材料挤出式增材制造工艺）打印，目标是在打印可行性与宽带吸收之间取得平衡，并实现极化与角度不敏感吸收。研究得出，该超结构在15 mm厚度下实现5.2–18 GHz的EAB（RL≤?10 dB），体密度为0.17 g/cm³，在横向电（TE, transverse electric）和横向磁（TM, transverse magnetic）模式下入射角至45°保持稳定吸收，为缓解EM污染与干扰提供了途径。

关键技术方法：以MWCNTs（Donglei Composite Materials Co., Ltd., China；外径10–20 nm、长度10–30 μm、比表面积180–240 m²/g、粉末电阻率≤60 mΩ·cm）为填料，按3.0、4.5、6.0 wt%与PLA混合，经双螺杆剪切共混、水冷切粒、真空干燥后单螺杆挤出为PW-X丝材；采用FFF打印单元并组装到铝基板。通过扫描电子显微镜（SEM, scanning electron microscope）观察形貌，四探针测试仪测电阻，矢量网络分析仪（VNA, vector network analyzer）波导法测8–12 GHz复介电常数和复磁导率，拱形测试系统测RL；利用CST Microwave Studio进行2–18 GHz仿真与结构参数优化。

4.1 Absorption mechanism of PW-X composites（PW-X复合材料的吸收机制）。SEM观察表明，随MWCNTs含量增加，亮区扩大且未见严重团聚或孔洞缺陷，MWCNTs分散均匀并具有良好填料-基体界面粘附，有利于增强界面极化损耗。双螺杆熔融共混与单螺杆挤出形成连续三维导电网络，增强导电损耗并增加极性基团和缺陷。复介电常数实部、虚部和介电损耗正切随MWCNTs含量显著增加；PW-6.0在同一频率下介电损耗最强，实部保持在11.3–12.3，虚部2.6–3.1，损耗正切0.23–0.26。复磁导率测试表明PW-X是典型介电损耗材料，磁损耗贡献可忽略。PW-3.0不导电，PW-4.5和PW-6.0电导率分别为0.65 S/m和2.46 S/m，说明PW-6.0形成大量有效连续导电网络。将总介电损耗分解为极化损耗ε_p^″和导电损耗ε_c^″后，PW-6.0表现出最强极化和导电损耗；低频导电损耗中载流子有足够时间定向迁移形成电流并受阻转化为热，高频极化损耗增加并趋于平台。Cole-Cole图显示PW-4.5半圆半径大于PW-3.0，极化损耗更强；PW-6.0具有最长线性段和最陡斜率，导电损耗最强。综合阻抗匹配与吸收能力，选择PW-4.5和PW-6.0用于超结构打印。

4.2 Optimization of structural parameters（结构参数优化）。通过仿真研究初始直径D、初始螺距P1、膨胀系数K、截面厚度S和总厚度H对RL影响。D减小可加深吸收峰，源于较小中心空隙抑制背板镜面反射。P1=2.0 mm和2.5 mm曲线相似且多峰，P1=3.0 mm时仅在11.8 GHz和14.5 GHz出现两峰，RL分别为?16.7 dB和?14.5 dB；P1=3.0 mm具有更宽螺旋片层间距和开放半圆轮廓，利于EM波进入内部空气腔多次反射并延长路径。K增大使吸收峰增多、向低频移动并加深；K=1.4时出现三峰，第一峰位于9.52 GHz，14.7 GHz最低RL为?27.6 dB，7.58–18 GHz达到RL≤?10 dB。S增大使曲线低频移并拓宽EAB，因低频波长较长且S增大保留拓扑同时提高损耗材料体积分数。H增大拓宽EAB并增强吸收，但增加质量；H=20 mm时6.9–18 GHz达到RL≤?10 dB，12.9 GHz最低RL为?46 dB，H=10 mm时8.6 GHz以上达到RL≤?10 dB。综合吸收、轻量和打印性，最终参数为D=4 mm、P1=3.0 mm、K=1.4、H=15 mm、S=2.4 mm。

4.3 Measurement of absorption（吸收性能测量）。通过调整喇叭天线位置和极化模式进行角度与极化不敏感测量。实测与仿真RL的EAB（RL≤?10 dB）均覆盖6–18 GHz，但仿真未呈现实验中的明显吸收峰；实测TE模式在8.7 GHz为?23.5 dB、12.8 GHz为?29.0 dB，TM模式在9.3 GHz和10.7 GHz为?36.0 dB。3D打印引入尺寸误差和喷嘴直径导致的表面粗糙，使理想模型吸收峰消失。入射角5°–45°下，TE/TM模式均保持8–18 GHz内RL≤?10 dB，验证对称手性拓扑带来的极化和角度不敏感性；30°入射时吸收最大，因EM波与全部螺旋片层作用，传播路径和能量耗散最大。

4.4 Absorption mechanism of metastructure（超结构的吸收机制）。仿真5.5 GHz、9.0 GHz、12.8 GHz和16.0 GHz的功率损耗、电场、磁场和电流密度分布。5.5 GHz时功率损耗与电场分布空间相关强；随频率升高，功率损耗逐渐与磁场分布重叠，高频下磁场与电流密度高度一致，说明低频导电损耗主导，高频感应磁共振作用显著，与Cole-Cole分析一致。功率损耗随频率更均匀并形成多个同心嵌套环，源于高频皮肤深度减小。磁场分布结合电流密度和Faraday电磁感应定律解释：12.8 GHz不同截面出现多个顺时针和逆时针电流环；相位从45°到180°时，上层感应电流顺时针旋转而下层逆时针旋转，产生涡流损耗并激发时变磁场和磁偶极响应。9.0 GHz电流环尺寸大于5.5 GHz，且在9.0、12.8、16.0 GHz电流环数量逐渐增多。TM模式产生丰富旋转电流并与扩展螺旋片层表面相互作用；电流方向表明电场矢量沿螺旋片层自上而下旋转，实现线极化向圆极化转化，引入额外能量耗散。比较PW-4.5和PW-6.0打印超结构，PW-6.0的RL优于PW-4.5，说明更高MWCNTs含量增强吸收且未引起严重阻抗失配，归因于梯度固相分数。多尺度协同吸收机制包括：宏观上仿生非重叠片层增大相互作用面积，空气腔基于有效介质理论改善阻抗匹配并引发多次反射和散射，螺旋构型形成多个顺/逆时针电流环产生涡流损耗和时变磁场，手性结构促进EM波耗散并通过近场耦合和涡旋几何将线极化波转为圆极化波；微观上复合丝材作为介电损耗介质，MWCNTs增加异质界面并触发界面极化；纳米上MWCNTs形成三维连续导电网络，PLA阻碍电子迁移和跳跃诱导导电损耗，MWCNTs极性基团和缺陷引起偶极极化。与其他吸收体比较，该设计以单一复合材料、单一制造工艺实现15 mm厚度下5.2–18 GHz的RL≤?10 dB，体密度0.17 g/cm³，在减薄、轻量和宽带微波吸收方面具有综合优势。

讨论部分总结：研究人员将宏观结构设计视为吸收机制中的关键因素，通过仿生手性螺旋-涡旋、空气腔和梯度固相分数协同解决高导电复合材料的阻抗失配，同时依靠MWCNTs/PLA的介电损耗和三维导电网络增强能量耗散。与已报道吸收体相比，本工作在厚度低于15 mm时EAB更宽，或在可比EAB下厚度和体密度更低；其采用单一复合材料和单一工艺，有利于制造。研究意义在于提出一种兼具极化与角度不敏感的仿生设计策略，用于缓解EM污染与干扰。

研究结论翻译：在本工作中，研究人员设计并通过FFF制备了由MWCNTs/PLA复合材料构成的仿生手性螺旋-涡旋超结构，用于宽带EM波吸收。受植物螺旋叶序启发，所提出的设计在三维周期构型中集成了连续扩展的对数螺旋片层、相互连通的空气腔和本征手性，从而降低固相分数、引入多重内部反射并延长传播路径，进而促进良好阻抗匹配并推动宽带吸收。结合介电损耗复合材料，该超结构建立了多尺度协同吸收机制，并在15 mm厚度下实现5.2–18 GHz的EAB（RL≤?10 dB）。此外，该吸收体在入射角至45°时在TE和TM模式下均表现出稳定吸收。该研究提供了一种新的仿生设计策略，以实现兼具极化与角度不敏感性的阻抗匹配和宽带吸收，为缓解EM污染与干扰提供了可行途径。未来工作中，将利用其他优化算法探索更优结构方案，包括用Matlab或Python编写的算法。