供稿人：张童童、李涤尘 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2024-06-19
连续纤维因其优异的力学性能、化学稳定性和环境适应性而备受关注。然而，常用的金属纤维和碳纤维由于其导电性高，对电磁波具有很强的反射作用，因此很难直接应用于电磁吸收。先前的研究主要集中在将连续纤维应用于简单形状的频率选择表面或使用散射机制来减小雷达横截面。而基于散射原理的隐身机制很难克服多站雷达的探测。超材料设计越复杂、越精细，结构的电磁波操纵性能就越高。连续纤维3d打印提供了使用连续纤维来制备吸波超材料的工艺路径。
西安交通大学的张童童采用连续纤维3D打印技术在纯聚乳酸塑料基板上制备了碳纳米管包覆涤纶纤维集成聚乳酸复合材料的螺旋图案吸波超材料。螺旋单元结构的排列和连接采用空间填充曲线设计，以降低结构的极化灵敏度。研究了不同单元数的超单胞之间的导电路径连接对电磁性能的影响。证明了基于空间填充曲线的路径规划与单元排布对于连续纤维超材料的通用性。
图1 基于Hibert曲线生成的螺旋形超材料结构图:(a) IU， (b) SU4， (c) SU16
基于空间填充曲线排布的吸波超材料单元设计不仅将原本单个螺旋形单元的极化敏感性降低，其一笔成型的特性还更适合使用连续纤维3D打印技术来成型。图2（b）说明不同方向的螺旋单元集成于一个超单胞内提升了吸波功能的稳定性。
图2（a）连续纤维3D打印制备吸波超材料原理图（b）不同单胞数量超单胞的极化稳定性
为了测量电磁波在垂直入射下散射到其他方向的能量，对螺旋形超材料的RCS进行了模拟，并与具有螺旋形的超材料进行了比较。对于以空间填充曲线排列进行旋转组合的超材料，散射路径更加多样化，从而降低了RCS的强峰，能量散射更加对称。
图3 双基地RCS极坐标图和三维图像:(a) 8 GHz的PEC表面和空间填充超材料，(b) 18 GHz的PEC表面和空间填充超材料，(c) 18 GHz的IU和空间填充超材料。
结果表明，制备样品的在3.2mm的厚度下反射率小于−10 dB，吸收率大于90%，在8 -18.1 GHz范围内，与仿真结果基本吻合。在40°斜入射情况下，该波段的吸收率也可达到80%(−8 dB)。这项工作为连续纤维在吸波超材料中的应用提供了灵感。这种成形超材料的工艺和设计方法具有快速成型、轻量化和介质层一体化制造等优点，具有很大的发展潜力。