超寬帶石墨烯超材料吸波結構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，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構，并通過FDM 3D打印技術制備了不同石墨烯質量比、變結構尺寸參數的單層超材料吸波結構，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，設計結構為木堆結構，材料為氧化還原石墨烯和PLA的復合材料。如圖1（b），單層超材料吸波結構中石墨烯的含量（3wt%，4wt%，5wt%）及結構尺寸參數。在滿足阻抗匹配特性的情況下，選取損耗常數大、結構密度小的單層結構組合成多層超材料吸波結構，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構 a）木堆結構模型；b）單層結構石墨烯含量及結構參數； c）單層結構等效阻抗及損耗常數；d）多層結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構。制備樣品的反射損耗測試結果表明，滿足阻抗匹配特性且損耗常數大的樣品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No.5和No.6的反射損耗特性發(fā)現，兩樣品損耗峰值在不同頻點，且在超寬帶內（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 木堆超材料結構及反射損耗 a）3D打印多層木堆結構；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.