超宽带石墨烯超材料吸波结构3D打印

文章来源：机械制造系统工程国家重点实验室   作者：尹义发 李涤尘 

近年来，石墨烯因其独特的电、物理、化学和机械特性，例如高介电损耗，轻质，高比表面积和出色的耐腐蚀性等，而作为一种新型吸波剂倍受关注。尽管已证明其性能优越，但超宽频有效吸波的石墨烯复合材料吸波结构的制造仍然是一项巨大的挑战。熔融沉积成型3D打印技术克服了复杂功能结构制备难题，可快速、高效成形多层级周期性石墨烯超材料吸波结构。

因而，西安交通大学李涤尘、田小永团队的Lixian Yin等设计了一种多层超材料吸波结构，并通过FDM 3D打印技术制备了不同石墨烯质量比、变结构尺寸参数的单层超材料吸波结构，并多层组合后研究其吸波机理及反射损耗性能。该超材料吸波结构满足轻、薄性能特点的同时具备超宽带的吸波特性，具备一定的工程应用价值。采用的3D打印技术为复杂功能结构的快速制备提供了有效的实施方法。

如图1（a）所示，设计结构为木堆结构，材料为氧化还原石墨烯和PLA的复合材料。如图1（b），单层超材料吸波结构中石墨烯的含量（3wt%，4wt%，5wt%）及结构尺寸参数。在满足阻抗匹配特性的情况下，选取损耗常数大、结构密度小的单层结构组合成多层超材料吸波结构，通过弓形法/微波暗室研究其反射损耗特性。

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图1 多层木堆超材料吸波结构 a）木堆结构模型；b）单层结构石墨烯含量及结构参数； c）单层结构等效阻抗及损耗常数；d）多层结构样件中每层的等效阻抗

如图2所示，使用FDM 3D打印技术制备木堆超材料吸波结构。制备样品的反射损耗测试结果表明，满足阻抗匹配特性且损耗常数大的样品No.5和No.6在X（8-12GHz）、Ku（12-18GHz）波段具备优异的吸波特性。进一步研究2-40GHz（S、C、X、Ku、K、Ka波段）频段内No.5和No.6的反射损耗特性发现，两样品损耗峰值在不同频点，且在超宽带内（4.5-40GHz）具备优异的吸波特性。

本文的研究为超宽带吸波结构的设计和制备提供了有效的解决方案。

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图2 木堆超材料结构及反射损耗 a）3D打印多层木堆结构；b）8-18GHz反射损耗； c）2-40GHz下No.5和No.6反射损耗；d）反射损耗云图