3D打印碳基全介电蜂窝元结构，用于薄型宽带电磁吸收

供稿人：王正、王玲、李涤尘
供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

微波通信技术的蓬勃发展见证了电子设备、仪器和系统的广泛使用，这给智能生活带来了巨大的好处，但随之而来的电磁辐射和污染对医疗保健、设备可靠性和国防安全产生了严重的负面影响。

最近的研究证明，高性能吸波材料可以通过多尺度结构设计方法实现，该方法可以诱导从微观到宏观尺度的多种损耗模式。常见的吸收结构包括蜂窝结构、多层结构、周期性阶梯结构等。在这些结构中，蜂窝是一种天然的周期性结构，具有轻质、高强度和优异的吸收性能。然而，大多数报道的蜂窝结构是通过繁琐的工艺（浸渍、热压和粘合等）制造的，这限制了其应用。幸运的是，高精度三维（3D）打印的快速发展使得通过简单直接的步骤制备复杂形状的吸收产物成为可能。

为了研究吸波蜂窝的打印问题，西安邮电大学的周倩等人研究设计并提出了一种导电涂层蜂窝超材料吸收体复合材料，用碳纤维增强的光反应性丙烯酸树脂制造蜂窝骨架，并在表面形成导电涂层，导电涂层由丙烯酸树脂、多壁碳纳米管和树脂组成，样件制备过程如图1所示。

图1 导电涂层蜂窝超材料吸收体复合材料的制造程序

为了可比性，传统的蜂窝是通过在没有底板的蜂窝纸表面上浸渍吸收涂层制成的，其材料特性与导电涂层蜂窝复合材料相同。设计的导电涂层蜂窝复合材料增加了印刷板和通过浸渍工艺引入的周期性导电涂层。图2显示了优化的导电涂层蜂窝复合材料和传统蜂窝在4 ～ 40 GHz下的吸收性能。结果表明，与传统蜂窝相比导电涂层蜂窝复合材料的有效吸收带宽已从22.36 GHz（6.76 ～ 29.12 GHz）大幅扩展到34.76 GHz（5.24 ～ 40 GHz）。因此，导电涂层蜂窝复合材料的有效带宽得到了很大的扩展，特别是对于高频的吸波的改善强。

图2 （a）阵列示意图和晶胞的几何参数;（b）设计的导电涂层蜂窝复合材料和传统蜂窝的反射损耗曲线;（c）和（d）为两种蜂窝结构的等效电路图

本研究所设计的导电涂层蜂窝的吸收性能可以通过复合材料的电性能参数以及蜂窝元结构的几何结构参数进行调整，可用于不同吸收性能要求的定制。多尺度结构引起的多种损耗模式使得综合优异性能。3D打印蜂窝骨架与导电涂层之间的协同效应将大大提高其吸收性能，为设计超轻量级宽带微波超材料吸收体提供了新的思路。

参考文献：
Qian Zhou,Chenxi Qi,et al.3D printed carbon based all-dielectric honeycomb metastructure for thin and broadband electromagnetic absorption[J].Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,2023,Volume 169.