原位气化诱导多相钨碳/碳复合电磁超材料：界面增强机制与器件仿真设计

《Journal of Alloys and Compounds》：In-situ vaporization-induced multiphase W-C/C composite electromagnetic metamaterials: interface enhancement mechanism and devices simulation design

　　**摘要**下一代电磁吸收器件对宽频带、大角度的空间电磁波耗散能力提出了严格要求。然而，当前器件性能仍受限于单一组分材料和传统均质涂层的物理瓶颈，严重阻碍了有效耗散的实现。因此，本研究采用结合异质界面工程与宏观几何构型的双尺度优化策略，提出了一种基于W-C/C多相复合材料的多层圆柱阶梯电磁超材料器件。在微观尺度，原位气化诱导的W-C/C多相复合材料在30 wt%复合材料和70 wt%石蜡配比下实现了最低反射损耗–32.79 dB和6.37 GHz的有效吸收带宽。结合密度泛函理论，其本征耗散源于网络传导、碳化物诱导的晶格畸变以及多相界面极化。在宏观尺度，基于复合材料的电磁参数和CST结构仿真，提出了多层圆柱阶梯结构。该结构通过平滑的阻抗梯度和激励单元之间的近场耦合促进了空间能量的二次分布。因此，超材料器件预测有效吸收带宽显著拓宽至15.55 GHz，并在–60°至60°的斜入射下表现出优异的稳定性。该双尺度优化策略为下一代超宽带电磁吸收器件的设计提供了理论指导。**引言**随着高精度检测技术的快速发展，新一代飞行器的隐身能力已成为现代工程应用中的关键挑战。一种整合微观尺度材料设计与宏观尺度结构工程的双尺度策略已作为一种有前景的方法来解决这些挑战。[1], [2], [3]。然而，在复杂的电磁环境中，设计同时具有超宽工作带宽和斜入射下稳定性能的电磁吸收器件是一个核心技术难题[4], [5]。当前现有技术仍受限于材料和结构的双重物理瓶颈。在材料尺度上，传统单组分介质受限于固有的Snoek极限，难以实现理想的阻抗匹配和高衰减常数[6], [7]。针对这一问题，相关研究构建了介电网络与纳米材料相结合的多相复合体系，以触发多维协同损耗机制来实现吸收[8], [9]。然而，通过传统机械混合形成的异质界面不均匀，严重阻碍了异质界面处的电荷高效迁移，难以提供连续稳定的极化网络。在结构尺度上，由于四分之一波长理论的厚度限制和强界面反射，传统平面或均质吸波涂层的有效吸收带宽无法满足需求[10]。近年来，超材料结构的出现为这一问题提供了解决方案和方法。通过材料与结构的协同设计，优化电磁波的多重散射和阻抗匹配，实现了超越传统均质涂层的电磁吸收性能[11], [12], [13]。相关研究证实，通过构建周期性拓扑单元来设计具有人工亚波长结构的电磁超材料（EM超材料），在宽频范围内的电磁波吸收方面取得了显著进展[14]。目前，电磁超材料的设计和应用仍面临宽带低频衰减和极化稳定性等问题[15]。因此，有必要结合多相材料的原位形成和大角度下的结构设计来实现宽带和宽角度的电磁波吸收。在本研究中，我们采用微观和宏观尺度的双尺度优化策略，提出了一种基于W-C/C多相复合材料的多层圆柱阶梯电磁超材料器件。在微观尺度，利用碳热还原过程，通过调控低沸点Zn的原位气化构建多孔框架网络。原位诱导的碳晶格畸变和异质界面建立了高效的极化耗散网络和阻抗匹配。在宏观尺度，通过CST仿真设计了具有旋转对称性的多层阶梯超材料结构。通过几何构型沿传播方向的空间演化，实现等效介电常数的平滑过渡，并结合结构单元间的电磁场耦合效应触发强局域共振和边缘损耗。**分节摘要****W-C/C多相复合材料的制备**本研究采用基于钨酸盐前驱体的碳热还原制备方法。使用含有低沸点金属组分的ZnWO?作为前驱体，以葡萄糖作为碳源进行高温碳热还原，构建W-C/C多相复合吸波材料。基于不同的碳热还原温度，收集的样品分别标记为LT（T = 860°C，低温段）；VT（T = 910°C，**W-C/C多相复合材料的结构演化与分析**在碳热还原过程中，前驱体经历了从低温到极高温度的组成重构。通过材料表征技术，研究了各阶段产物的相变，并分析了温度诱导的组分剥落和多相成核过程。图1(b)展示了还原产物的X射线衍射图谱，说明了温度依赖的相演化趋势**结论**在本研究中，我们采用基于微观异质界面工程和宏观结构设计的双尺度优化策略，提出了一种基于W-C/C多相复合体系的多层圆柱阶梯电磁超材料器件。在微观尺度，通过精确控制前驱体的碳热还原，利用Zn的气化构建多孔网络和原位成核的钨基碳化物。最低反射损耗**作者声明**我们确认手稿已被所有署名作者阅读并批准。我们确认手稿中作者列表的顺序已经得到我们所有人的批准。所有作者均已阅读并同意手稿的发表版本。**CRediT作者贡献声明**马宇天：撰写——原始草稿，软件，调查研究，形式分析。张博杭：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，可视化，调查研究，形式分析，数据整理。罗洪田：验证，调查研究。杜心远：验证，调查研究。陈晨：撰写——审阅与编辑，软件。葛远航：验证，调查研究。赵武：撰写——审阅与编辑，资源，项目管理，资金获取，概念化。齐晓飞**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本研究中报告的工作。**致谢**本研究得到国家自然科学基金（编号：62374134）和中国科学院青年科技人才培养计划博士研究生项目的资金支持。**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本研究中报告的工作。张博杭 | 马宇天 | 杜心远 | 罗洪田 | 葛远航 | 陈晨 | 齐晓飞 | 赵武西北大学电子信息学院（人工智能学院），西安，710127，中国