供稿人：康友伟、田小永 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：2025-05-15
在极端多物理场耦合环境（如太空探索、卫星通信）中，开发兼具电磁响应可调性与机械稳定性的多功能超材料是重大挑战。传统电磁超材料通常具有固定响应特性，难以适应温度骤变等复杂工况。近年来，4D打印技术通过引入时间维度，使材料在外界刺激下动态变形，为可调超材料提供了新思路。然而，现有研究多聚焦单一功能调控，如何实现电磁性能与机械行为的协同设计仍是难题。
西安交通大学团队提出了一种基于连续碳纤维（CCF）复合材料的4D打印双功能超表面，首次将电磁频率选择特性与可调热膨胀行为（负/正/近零膨胀）集成于一体。该超表面由周期性手性双材料弧形梁阵列构成（图1a），两层分别采用高膨胀系数的尼龙，以及低膨胀、高导电的连续碳纤维复合材料。通过4D打印精确控制材料分布与结构参数，超表面可在温度变化下发生可控形变，进而调节电磁波传输频段（图1b）。
研究团队结合理论与实验，揭示了结构参数对性能的调控规律。理论推导表明，双材料弧形梁的宽度比与模量比共同决定热膨胀系数（CTE）极值。通过优化弧形半径、初始弧度等结构参数，超表面在30K温升下可呈现-1333×10^-6 K^-1的负热膨胀系数，创同类材料纪录（图1c）。电磁测试表明，CCF/PA的高导电性使超表面在4-6GHz频段具有选择性透波特性，其传输频段可通过热致形变动态调整。实验数据显示（图1d），当温度升高时，超表面变形，−1 dB 传输带从 4.5~5.07 GHz 移动到 4.66~5.14 GHz，偏移量与带宽之比约为 28.1%。这种电磁频段调控能力源于连续碳纤维的高导电性与弧形梁热变形的协同作用，通过改变周期性单胞尺寸和曲率半径，可进一步实现频移幅度的精准定制。
该成果突破了传统超材料功能单一的限制，为太空设备在极端温变环境下提供了尺寸稳定性和自适应通信性能的集成解决方案。例如，卫星天线支架可借助近零膨胀特性避免热变形导致的信号漂移，也可通过热控调节透波频段，简化传统分体式温控与滤波系统的复杂架构。
图1 4D打印热可调超表面：(a) 负热膨胀与正热膨胀的两类超表面；(b) 通过温度变形调节电磁波传输频段的原理示意图；(c) 变结构参数的负热膨胀超表面的CTE；(d) 变形前后的超表面的电磁透射能力对比。