超寬帶石墨烯超材料吸波結(jié)構3D打印

供稿人：尹義發(fā) 李滌塵 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

近年來，石墨烯因其獨特的電、物理、化學和機械特性，例如高介電損耗，輕質(zhì)，高比表面積和出色的耐腐蝕性等，而作為一種新型吸波劑倍受關注。盡管已證明其性能優(yōu)越，但超寬頻有效吸波的石墨烯復合材料吸波結(jié)構的制造仍然是一項巨大的挑戰(zhàn)。熔融沉積成型3D打印技術克服了復雜功能結(jié)構制備難題，可快速、高效成形多層級周期性石墨烯超材料吸波結(jié)構。

因而，西安交通大學李滌塵、田小永團隊的Lixian Yin等設計了一種多層超材料吸波結(jié)構，并通過FDM 3D打印技術制備了不同石墨烯質(zhì)量比、變結(jié)構尺寸參數(shù)的單層超材料吸波結(jié)構，并多層組合后研究其吸波機理及反射損耗性能。該超材料吸波結(jié)構滿足輕、薄性能特點的同時具備超寬帶的吸波特性，具備一定的工程應用價值。采用的3D打印技術為復雜功能結(jié)構的快速制備提供了有效的實施方法。

如圖1（a）所示，設計結(jié)構為木堆結(jié)構，材料為氧化還原石墨烯和PLA的復合材料。如圖1（b），單層超材料吸波結(jié)構中石墨烯的含量（3wt%，4wt%，5wt%）及結(jié)構尺寸參數(shù)。在滿足阻抗匹配特性的情況下，選取損耗常數(shù)大、結(jié)構密度小的單層結(jié)構組合成多層超材料吸波結(jié)構，通過弓形法/微波暗室研究其反射損耗特性。

圖1 多層木堆超材料吸波結(jié)構 a）木堆結(jié)構模型；b）單層結(jié)構石墨烯含量及結(jié)構參數(shù)； c）單層結(jié)構等效阻抗及損耗常數(shù)；d）多層結(jié)構樣件中每層的等效阻抗

如圖2所示，使用FDM 3D打印技術制備木堆超材料吸波結(jié)構。制備樣品的反射損耗測試結(jié)果表明，滿足阻抗匹配特性且損耗常數(shù)大的樣品No.5和No.6在X（8-12GHz）、Ku（12-18GHz）波段具備優(yōu)異的吸波特性。進一步研究2-40GHz（S、C、X、Ku、K、Ka波段）頻段內(nèi)No.5和No.6的反射損耗特性發(fā)現(xiàn)，兩樣品損耗峰值在不同頻點，且在超寬帶內(nèi)（4.5-40GHz）具備優(yōu)異的吸波特性。

本文的研究為超寬帶吸波結(jié)構的設計和制備提供了有效的解決方案。

圖2 木堆超材料結(jié)構及反射損耗 a）3D打印多層木堆結(jié)構；b）8-18GHz反射損耗； c）2-40GHz下No.5和No.6反射損耗；d）反射損耗云圖

參考文獻：
Lixian Yin, Xiaoyong Tian*, Zhentao Shang, Dichen Li (2019). " Ultra-broadband metamaterial absorber with graphene composites fabricated by 3D printing" Materials Letters. 239: 132-135.