国防科大团队新突破！AI助力层合复合材料实现宽频电磁吸收

随着雷达探测技术向更低频、更宽频带发展，层合复合材料的宽带电磁吸收性能成为隐身技术、航空航天等领域的关键挑战。传统层合吸波复合材料设计方法极其依赖经验迭代，不仅耗时费力，还易陷入局部最优，难以平衡宽频吸收与强吸收能力的矛盾。近日，国防科技大学邢素丽、张鉴炜、贺雍律等团队提出一种基于渐进贝叶斯优化（PBO）的无参数AI设计框架，成功突破这一瓶颈，相关成果以“Achieving broadband electromagnetic absorption in laminated composites through progressive Bayesian optimization”为题，发表在Composites Part B上。本文的第一作者为杨乃锋，共同第一作者为高恒达。

传统设计的困境：从“试错”到“智能”的跨越

层合复合材料因兼具结构支撑与多功能集成优势，在先进隐身飞行器等领域需求迫切。但其电磁吸收性能受结构、成分与频率的非线性耦合影响，设计空间随层数增加呈指数级膨胀，传统方法难以高效找到最优方案。例如，即便通过理论分析与仿真优化，现有设计的有效吸收带宽（EAB，即RL＜-10 dB的频率范围）往往局限在专家经验和广泛试错。团队开发的PBO-ML框架彻底改变了这一模式：通过数据驱动的深度学习模型预测不同层合结构的电磁响应，并结合渐进式优化策略，分阶段攻克高、中、低频段的吸收难题，有效避免传统算法的局部最优陷阱。

图1展示了宽频电磁吸收层合复合材料从材料制备到AI辅助优化的完整研究链条，包含四个核心子模块：通过透波层（QF/PI）与吸波层（FeCo掺杂QF/PI）的层级耦合，利用阻抗匹配、多界面干涉相消及本征损耗协同实现电磁波吸收，为后续结构设计提供理论基础（图1a）。然后经过功能化共混、涂膜、堆叠、模压等步骤制备电磁功能层合复合材料（图2b），利用弓形架法测得的基础电磁参数进行高通量电磁仿真（图2c），最后利用深度神经网络训练一个与铺层配置相关的电磁性能预测模型（图2d）。

从“分频段优化”到“全频带协同”

团队创新性地将1-18GHz频段划分为高（X+Ku）、中（C）、低（L+S）三个子频段，通过渐进优化逐步拓展吸收范围：优先优化X+Ku频段（8-18GHz），利用结构设计调控电磁波反射与干涉，获得6.6+1.4GHz的基础带宽；以高频最优结构为基础，逐步纳入C频段（4-8GHz）和L+S频段（1-4GHz），通过调整FeCo合金含量与层间分布，实现全频段协同吸收。微观机制上，石英纤维的透波特性引导电磁波进入材料内部，FeCo合金通过涡流损耗与自然共振转化电磁能，而梯度结构形成的异质界面进一步增强能量耗散，最终实现宽频高效吸收。

图2通过多维度统计分析揭示层合结构与电磁性能的内在关联，为AI辅助设计提供数据支撑和优化策略。40k样本的RL曲线三维可视化显示多数样本的有效吸收集中于2-4GHz和8-12GHz频率范围内，呈现显著的结构同质化特征（图2a）。EAB的统计结果显示EAB在4-5GHz区间占比达32.95%，而7-8GHz区间仅0.52%，证实宽频吸收设计的稀缺性，凸显智能优化方法的必要性（图2b）。EAB关于EAC的统计分布证明了EAB更适合作为AI辅助设计的优化函数（图2c）。高FeCo含量（材料-3，粉色层）层数随样本量增加而减少，提示过量吸波剂不利于宽频吸收；而显示固定材料-3层数时，其在层合结构中的位置显著影响高频吸收（下层分布更优），揭示“成分主导低频、结构主导高频”的分段调控机制（图2d-e）。提取L+S、C、X+Ku频段的最优RL曲线及对应层合结构，证实单一频段优化会导致其他频段性能退化，为PBO分阶段优化策略提供思路。

图3展示了PBO-ML框架的性能验证与优化过程可视化，量化验证了该框架的有效性及泛化能力：明确“仿真数据库→DNN预测模型→贝叶斯优化→Top候选验证→模型迭代更新”的工作流程，通过动态调整电磁吸收（EA）目标频段，实现从高频到全频段的渐进优化（图3a）。预测模型随着渐进优化的电磁吸收性能提升不断迭代，最终实现了R²>0.93，MAE低至13.4，且预测速度较仿真提升约10⁶倍（0.02ms/次），证实模型具备优异的泛化能力与计算效率。

图4通过多维度对比，确立PBO方法的优越性并揭示最优结构的电磁响应机制。PBO方法迭代至第八代后，前五名结构稳定为梯度型并且平均NEAB值显著高于传统BO和随机搜索，且收敛速度更快（图4a-b）。得益于改善的阻抗匹配，优化后的梯度结构（铺层配置I）的EAB达9.6GHz，较随机搜索（7.08GHz）和非渐进优化（8.00GHz）分别提升35.6%和20.0%（图4c-d）。功率损耗密度及电磁能分布显示，下层高FeCo区域主导能量耗散，且电场与磁场能量呈现互补分布，通过涡流损耗与自然共振协同转化电磁能，阐明了宽频吸收的物理机制。

总结与展望

基于该框架设计的梯度层合结构（以石英纤维增强聚酰亚胺为基底，掺入FeCo合金吸波剂）展现出卓越性能：1）在5.1mm厚度下，有效吸收带宽（EAB）达9.6GHz，覆盖1-18GHz的主流雷达频段，比传统贝叶斯优化设计提升20%，比随机搜索提升36%；2）通过梯度结构设计，材料与空气的阻抗匹配性能显著提升，确保电磁波高效穿透并被吸收，高低频段反射损失均稳定低于-10dB；3）AI模型预测速度比传统仿真快10⁶倍，且无需依赖专家经验，可直接推广至其他层合体系。该成果为航空航天隐身材料、电磁防护器件等提供了全新设计范式。

来源微信公众号“材料科学与工程”，感谢评论文章作者来稿。