西南交大孟凡彬教授团队 CEJ：介电常数基因组 - 吸波材料设计的新视角

随着无线通信技术的快速发展，电磁干扰与辐射问题日益严重，开发高效的吸波材料成为研究热点。研究者一般利用矢量网络分析仪通过同轴法、波导法和自由空间法等方式测得材料电磁参数，随后通过传输线理论对材料的吸波性能进行理论计算评估。这意味着研究者需进行大量实验并结合相关经验调整电磁参数，随后通过既定公式对吸波性能进行重复性、机械化的计算。这种依赖科学直觉和“试错法”实验限制了吸波材料开发及吸波性能优化的效率。而针对电磁参数进行定向选择在优化吸波性能上表现出巨大潜力，可有效简化吸波材料设计的复杂性，缩短吸波材料开发周期。同时，随着人工智能、计算机辅助开发技术的普及，电磁参数设计的重要性再次受到关注，尤其是针对非磁性吸波材料的研究。然而，现有关于电磁参数设计的研究由于存在频带选择不完整、图解形式不直观，缺少系统性规律及量化评估模型等问题限制了研究成果的实用性。

近日，西南交大孟凡彬教授团队受人类基因组计划（HGP）启发，以材料基因组计划（MGI）为指导，采用计算机辅助的数值分析策略优化吸波材料设计过程，构建了介电常数基因组。首先，通过编程高精度离散化描述传输线方程，涉及千万级数据点。分别在最佳吸收性能（RL取范围内极小值）及有效吸收性能（RL < −10 dB）条件下，结合生成的数据库对介电常数进行数字化筛选。随后，选择各参数（f, d, ε’, ε’’）构建目标函数，通过拟合筛选结果推导得到Li-Meng近似函数（L-MAF）。进一步构建了介电常数基因组，解构并总结了介电常数、频率和厚度对吸收性能的一般性影响，总结得到了非磁性吸波材料设计原理。

最后，通过指导设计高性能还原氧化石墨烯/碳泡沫（rGO/CF）对本设计方法进行了验证。综上，基于L-MAF和介电常数基因组的非磁性吸波材料设计方法有望成为实现高效宽带吸波材料开发的有效策略，为吸波材料的设计提供了一个新视角。

2024年12月9日，本工作以“ Permittivity genome: A new perspective on absorbing materials design ”为题发表于Chemical Engineering Journal上。

• 图文导读

图1. 介电常数数据库构建示意图

图2. 不同厚度下最佳吸收性能对应的频率-介电常数解

图3. 不同厚度下的理想吸收性能的最佳拟合曲线及理论RL值

图4. 筛选识别的介电常数约束边界值及不同厚度条件下有效吸收性能对应的拟合边界曲线

图5. 理想吸收/有效吸收条件对应的介电常数三维解集及三维理论RL值，一致性检验图

图6. 各参数对吸波性能的一般影响规律图

图7. 介电常数基因组在吸波材料设计中的应用示例图

图8. rGO/CF的吸波性能设计验证图

本研究工作得到了国家自然科学基金项目（No. 51903213和No. 5217130130190）、四川省科技计划项目（No. 2023NSFSC1952和No. 2022ZYD0028）、中央引导地方科技发展专项基金（No. 2021Szvup124）和中央高校基础研究经费（No. 2682021GF004和No. 2682022CG005）及相关国防项目的资助与支持。

作者介绍

孟凡彬，西南交通大学材料学院教授、博士生导师，四川省杰出青年基金获得者，四川省GF科技菁英人才，四川省“天府青城”GF技术领域青年人才。主要从事电磁防护材料设计、制备及电磁学相关机理研究；以第一/通讯作者在Adv. Sci.，Small，Chem. Eng. J.，Green Chem.等期刊发表SCI论文70余篇（引用6400余次，H指数42）；主持国家自然科学基金、国防科工局、军委科技委、装备发展部等纵横向项目40余项。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724098899

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