超寬帶石墨烯超材料吸波結(jié)構(gòu)3D打印

供稿人：尹義發(fā) 李滌塵 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

近年來，石墨烯因其獨(dú)特的電、物理、化學(xué)和機(jī)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(guān)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(fù)合材料吸波結(jié)構(gòu)的制造仍然是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。熔融沉積成型3D打印技術(shù)克服了復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)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(gòu)。

因而，西安交通大學(xué)李滌塵、田小永團(tuán)隊(duì)的Lixian Yin等設(shè)計(jì)了一種多層超材料吸波結(jié)構(gòu)，并通過FDM 3D打印技術(shù)制備了不同石墨烯質(zhì)量比、變結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的單層超材料吸波結(jié)構(gòu)，并多層組合后研究其吸波機(jī)理及反射損耗性能。該超材料吸波結(jié)構(gòu)滿足輕、薄性能特點(diǎn)的同時(shí)具備超寬帶的吸波特性，具備一定的工程應(yīng)用價(jià)值。采用的3D打印技術(shù)為復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)的快速制備提供了有效的實(shí)施方法。

如圖1（a）所示，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為木堆結(jié)構(gòu)，材料為氧化還原石墨烯和PLA的復(fù)合材料。如圖1（b），單層超材料吸波結(jié)構(gòu)中石墨烯的含量（3wt%，4wt%，5wt%）及結(jié)構(gòu)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(gòu)密度小的單層結(jié)構(gòu)組合成多層超材料吸波結(jié)構(gòu)，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(gòu) a）木堆結(jié)構(gòu)模型；b）單層結(jié)構(gòu)石墨烯含量及結(jié)構(gòu)參數(shù)； c）單層結(jié)構(gòu)等效阻抗及損耗常數(shù)；d）多層結(jié)構(gòu)樣件中每層的等效阻抗

如圖2所示，使用FDM 3D打印技術(shù)制備木堆超材料吸波結(jié)構(gòu)。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(jìn)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(diǎn)，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(gòu)的設(shè)計(jì)和制備提供了有效的解決方案。

圖2 木堆超材料結(jié)構(gòu)及反射損耗 a）3D打印多層木堆結(jié)構(gòu)；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(xiàn)：
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.