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(xué)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(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,、田小永團隊的Lixian Yin等設(shè)計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、薄性能特點的同時具備超寬帶的吸波特性,，具備一定的工程應(yīng)用價值,。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施方法。

如圖1（a）所示,，設(shè)計結(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，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.