为了降低多功能宽带微波吸收超材料（MAMs）的质量和厚度，该研究将光子晶体原理应用于微波吸收领域。受莫纳库斯蝶翅的结构着色调控启发，设计了一种新型集成式仿生MAM，命名为MM。MM具有低阻力系数、疏水性、机械承载能力和宽带雷达隐身功能。研究利用PA6@CF丝和材料挤出3D打印技术，快速制造了通过粒子群优化的机械测试样品和MM样品，成本较低。法线入射的反射率测试结果显示，厚度为8毫米的MM在2-40 GHz频率范围内实现了33.4 GHz的有效吸收带宽。横向磁场极化和60°斜入射条件下，MM对有效吸收带宽的覆盖率达到了98.5%。此外，三点弯曲测试证明了MM的优秀变形能力（高达50毫米）和机械承载性能（弯曲强度达到78 MPa），为其在复杂表面上的应用奠定了基础。针对微波吸收超材料在高速运动物体上的应用，将MM与五种典型的MAM进行了比较分析，发现MM具有最低的阻力系数（Cd = 0.132）。流年似水，莫负光阴！
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随着电子战的不断发展，微波武器对军事装备和人员的威胁日益严重。传统的微波吸收材料往往存在带宽窄、重量大、成本高、制备工艺复杂等问题，难以满足现代战争的需求。目前，研究者们正在探索新型微波吸收材料，例如碳纤维、碳纳米管、石墨烯等，并采用结构设计方法提升其微波吸收性能。然而，这些方法仍然存在一些局限性，例如带宽提升伴随填充量增加，导致成本和密度升高；填充量增加可能降低基体材料的其他性能；磁性吸收材料的制备工艺复杂，难以保证产品质量和大规模生产。近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇题由火箭军工程大学和北京理工大学先进结构技术研究所的研究团队完成的基于生物仿生和3D打印的宽带微波吸收超材料的研究成果。该研究利用蓝闪蝶翅膀的仿生结构设计，结合3D打印技术和粒子群算法优化，成功制备了一种具有宽带微波吸收、雷达隐身、空气动力学效率等功能的超材料，为开发高性能、多功能微波吸收材料提供了新的思路。论文标题为“Bioinspired 3D printed metamaterial for wideband microwave absorption and aerodynamic efficiency”。蓝闪蝶翅膀的微结构具有独特的光子晶体特性，能够控制光的散射、反射和衍射，从而产生绚丽的颜色。该研究借鉴了蓝闪蝶翅膀的这种结构，设计了一种名为MM的MAM（microwave absorption metamaterials）结构。该结构由多层薄膜和空气层组成，能够在不同频率下与电磁波发生相互作用，实现宽带微波吸收。
图1. a) 仿生微波吸收超材料的概念设计，b) 微波吸收超材料的吸收机制和功能演示。为了快速找到MM结构参数的最佳组合，该研究采用了一种改进的粒子群算法进行粒子群优化（particle swarm optimization；PSO）。该算法能够有效处理多参数优化问题，并快速收敛到全局最优解。
通过优化，得到了最佳的MM结构参数，并利用CST Studio软件对其微波吸收性能进行了模拟分析。结果表明，MM样品在2-40 GHz频率范围内实现了33.4 GHz的有效吸收带宽，在TE极化模式和0°入射角下表现出优异的微波吸收性能。
图2. 超材料优化和流程可视化。a-d) PSO参数迭代曲线和结果输出，e) PSO算法流程图，f) 优化过程示意图。为了验证MM样品的性能，该研究利用3D打印技术制备了MM样品、拉伸试样、弯曲试样和波导组件等。通过测试，该研究发现PA6@CF复合材料具有良好的拉伸强度和弯曲强度，通过粘接CFRP层可以进一步提高其机械性能，使其能够适应复杂的表面结构。
图3. 电磁特性测试。a) MEX 3D 打印机和 MM 的实物图，b) 反射率测试设备连接示意图，c) 反射率模拟和测试结果比较，d) TE 模式下不同入射角的反射率曲线，e) TM 模式下不同入射角的反射率曲线，f) 不同微波吸收超材料的归一化有效吸收带宽比较，g) 覆盖 MM 前后的 RCS 比较，h) 覆盖 MM 前后的导弹 RCS 比较。该研究还利用流体动力学计算软件评估了MM样品的空气动力学性能，并与其他宽带微波吸收超材料进行了比较。结果表明，MM样品具有更低的阻力系数，有利于其在高速运动物体上的应用。
图4. 机械性能特性测试。a) 标准拉伸试样的力-位移曲线，b) 标准拉伸试样，c) 单元体拉伸试样，d) 单元体拉伸试样的力-位移曲线，e) 标准三点弯曲试样测试过程，f-g) 单元体拉伸试样的力-位移和应力-应变曲线，h) 标准三点弯曲试样，i-j) 单元体三点弯曲试样的力-位移和应力-应变曲线，k) 单元体三点弯曲试样，l) 单元体三点弯曲测试过程。该研究提出的仿生MAM设计，结合3D打印技术和粒子群算法优化，为开发高性能、多功能微波吸收材料提供了新的思路。MAM样品具有宽带微波吸收、雷达隐身、空气动力学效率等特性，有望在军事、民用等领域得到广泛应用。例如，可以将该MAM应用于无人机、导弹等高速运动物体的表面，实现隐身和降低阻力，提高其作战效能和生存能力。此外，该MAM还可以应用于建筑、通信等领域，用于屏蔽电磁干扰和改善电磁环境。图5. 超材料和及性能对比示意图。a) GLM [20]，b) GHAM [34]，c) 分级超材料 [37]，d) MDSGM [38]，e) 蜂窝状超材料 [39]，f) 本文工作，h) 标准三点弯曲试样，g) 未覆盖 MM 的导弹，h) 覆盖 MM 的导弹。该研究成功设计了一种基于生物仿生和3D打印技术的宽带微波吸收超材料，并对其性能进行了全面的测试和分析。该超材料具有宽带微波吸收、雷达隐身、空气动力学效率等优异性能，为开发高性能、多功能微波吸收材料提供了新的思路，具有重要的理论意义和应用价值。
Ge, C., Dong, H., Li, Z., Yu, C., Wang, Z., Sun, Y., ... & Wang, L. (2024). Bioinspired 3D printed metamaterial for wideband microwave absorption and aerodynamic efficiency. Composites Science and Technology, 257, 110846.https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110846☟ 文献求助可添加QQ群：640676531，540731372投稿邮箱：mech_of_comps@yeah.net
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