供稿人：李红艳、连芩 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 发布日期：2025-03-04
随着电子信息产业的迅速发展，电磁污染和干扰问题日益凸显，对人类生活和军事安全构成威胁。尤其在军事领域，提高飞行器的隐身性能，减少雷达等侦测系统的探测概率，已成为提升战场生存能力的关键。电磁屏蔽技术是减少电磁辐射干扰、实现飞行器隐身的重要手段。然而，传统材料和结构的电磁性能受到其固有尺寸的限制，难以动态响应外部激励信号。
钡钛酸盐作为一种典型的铁电材料，因其高介电常数特性，在微波吸收领域受到关注。西北工业大学的梅慧等通过3D打印技术实现了钡钛酸盐基超材料微波吸收体的一体化制造，研究表明，通过调整结构参数，可以获得完全不同的电磁响应。
研究中使用微米级钛酸钡（BaTiO3）制备了体积分数为40%的光固化浆料，利用数字光处（DLP）技术3D打印具有复杂几何形状的BaTiO3基电磁超材料。TPMS结构因其高度对称性和大表面积，有助于延长微波在材料中的传播路径，增加微波吸收性能。TPMS结构单胞尺寸（UCD）变化会影响结构的最小周期单元数量，从而影响结构的电磁波吸收和屏蔽特性。相对密度（RD）的变化会影响材料的整体等效介电常数。为实现最佳电磁参数，通过改变Gyroid结构的UCD与RD的设计来调整超材料的阻抗匹配特性，以确保入射的电磁波能够进入材料内部而不是被反射(图1)。设计了从1T到5T的不同UCD（1T = 1.47 mm），以及10%，20%，30%，40%，和50%的不同RD。
图1 3d打印BaTiO3在UCD为1T，RD为10%时的的扫描电子显微镜图像:(a)单胞;(b-d) (a)的放大图像;(e)结构参数
测试结果表明在X波段，当UCD为1T（1.47 mm）且RD为10%时，钡钛酸盐超材料实现了最佳的微波吸收性能，最小反射损耗为：-59.06 dB（图2a），有效吸收带宽为1.7 GHz（图2b）。当UCD为2T时，钡钛酸盐超材料的总屏蔽效能为15.98 dB，表明通过优化宏观结构可以实现超材料从电磁屏蔽到微波吸收的转变。
图2（a） 反射损失的二维等值线图，（b）反射损失曲线
研究阐明了超结构设计对电磁响应有明显影响。通过增强结构设计和定制，可以制造出高性能电磁超材料。为探索铁电材料在国防工业变频和主动隐身领域的研究前景奠定了良好的基础。