IF：36.3！基于3D聚合环形微流道元原子的宽带超材料吸波体，电子科大突破性成果登《Nano-Micro Letters》

电磁(EM)超材料吸波材料(MMA)代表了一类具有变革性的人工工程材料，能以传统吸波材料无法实现的方式调控电磁波。传统吸波材料的电磁吸收特性通常由其固有介电损耗特性所决定。具有宽带吸收的MMA在无线通信、雷达隐身、电磁干扰屏蔽和光学隐身等各种应用中具有广泛的应用前景。然而，MMA的性能目前面临双重制约。首先，固有特性往往导致共振吸收被限制在较窄的吸收带宽和频率较低的微波频段。其次，随着MMA的结构变得越来越复杂，传统的制造技术往往难以实现这些复杂的结构，受到材料和工艺兼容性的限制。因此，宽带MMA开发的核心挑战在于单元晶胞结构的设计和复杂结构的可制造性，以实现宽带和强吸收特性。

近期，电子科技大学的张晓升教授、张翼教授团队在国际著名期刊《Nano-Micro Letters》上在线发表题为“Annular Microfluidic Meta‑Atom Fusion‑EnabledBroadband Metamaterial Absorber”的原创性论著。该研究通过单元晶胞为3D聚合环形微流道元原子（FAMMA）的超材料吸波体在W波段展现出宽带电磁吸收性能。该文章提出了一种新型的3D打印液基超材料吸波体，三种环形微流道元原子正交聚合形成内部有液体填充的复杂三维结构阵列，通过摩方精密面投影微立体光刻(PμSL)技术3D打印加工制备（microArch®S240，精度：10μm），利用独特的三维正交结构的固液耦合协同效应在75-110 GHz实现强大的宽带吸收。这项工作为宽带MMA建立了新的设计理念，为未来毫米波通信、电磁屏蔽、雷达隐身等应用开辟了新的途径。

首先，作者为了获得所需电磁共振特性的MMA单元晶胞，如图1a-c所示，设计了几何结构和材料上相同、仅排布方式不同的A、B、C三种环形水原子分别产生不同的共振吸收电磁响应。通过三种环形微流体元原子不同方向上的共振单元堆叠和扩展，得到正交聚合FAMMA(图1d-e)，共振峰叠加进一步扩宽吸收带宽。电磁波入射到FAMMA表面的传播过程如图1所示。图1g-i的模拟结果表明了FAMMA具有偏振不敏感特性和广角入射特性。图1j-k对三种不同模型的雷达散射截面RCS分布进行比较分析，充满水的FAMMA对雷达回波的衰减明显更强，突出了FAMMA具有很强的电磁波衰减能力。

图1. FAMMA结构设计和仿真的电磁吸收性能。

然后，作者通过数值模拟对FAMMA的电磁吸收机理进行分析，通过模拟不同的结构模型来验证水基FAMMA在吸收电磁波方面的优越性。与填充树脂或平面水层的模型相比，FAMMA表现出了最优异的宽带吸收，其最小反射损耗（RLmin）可低至近-50dB，图2a表明FAMMA的这种优异的宽带吸收来自于正交水环与树脂结构之间的耦合作用。阻抗匹配理论表明，当MMA的特征阻抗与自由空间阻抗匹配越高，吸波效果越好。如图2b-d所示，作者采用S参数反演法计算了FAMMA整体的等效电磁参数（ε、μ、n），并由模拟的S参数计算了FAMMA的归一化阻抗Z。为了进一步阐明FAMMA的电磁吸收机制，在88.12GHz处对电磁场分布和能量耗散进行了全波模拟，从电场分布、磁场分布、能量损失密度分布等方面进行了更深入的机理分析（图2e-f）。

图2. 通过数值模拟分析FAMMA电磁吸收机理。

FAMMA的主要几何尺寸参数（Geometric Dimensions）包括总厚度(H)、单胞周期(P)以及环形微流控通道的内径(r)和外径(R)、微流道直径（D）。通过参数扫描系统地研究了这些参数对电磁吸收性能的影响，从扫描结果确定了三个具有代表性的几何尺寸设计 (图3)。几何尺寸Ⅰ(GDⅠ)的FAMMA吸波器件可实现超低RL，其RLmin约为-50dB，EAB为20.8GHz；GDⅡ的吸收相对较弱，RLmin约为-20dB，但可实现超宽带吸收，其EAB几乎覆盖整个W波段；GDⅢ整体呈现双频吸收，在高频(100.02~107.62GHz)和低频(75~86.48GHz)都有较强的吸收。

图3. 几何尺寸不同参数（GD I、GD II、GDIII）对于电磁吸收性能的影响。

在完成仿真设计和分析后，作者利用摩方精密面投影微立体光刻(PμSL)技术（microArch®S240，精度：10μm）3D打印加工制备了基于FAMMA的整体器件，通过真空辅助输液将水进行填充。该器件为10×10阵列，总体尺寸为4.0mm×4.0mm×3.6mm(L×W×H)(图4a)。横截面的SEM图像揭示了FAMMA的内部结构，证实可以成功制备中空的、三维正交聚合的环形微通道。高精度的PμSL 3D打印机准确地再现了几何设计，尺寸误差一般为1%，但环形内径r的误差略高，为2.4%(图4b)。这一精度水平满足了W波段电磁波吸收测试的要求。在微波暗室中采用自由空间法测量了器件的吸波效果，RL的测量结果与模拟结果有较好的一致性。将本文提出的设计与已经报道的水基MMA进行了关键指标的比较(图4f)。相比之下，大多数已报道的水基MMA主要工作在40GHz以下，通常需要更厚的结构才能获得类似的吸收性能。而FAMMA在轻薄的设计下展现出的RL达到了−40dB以下，这种优异电磁吸收性能归功于独特的元原子聚合策略和微纳3D打印制造。

图4. FAMMA器件的3D打印制造和吸波测试结果以及与其他工作的性能比较。

最后，为了评估FAMMA在雷达隐身应用中的潜力，作者通过使用矢量网络分析仪测量了W波段的回波功率来评估其吸收电磁能量的能力(图5a-b)。FAMMA器件相较于金属板能够产生18.1dBm的电磁衰减。在隐身实验场景中，将FAMMA吸波器件安装在模型汽车（图5d）和模型战斗机（图5e）上。雷达探测器用于识别范围内的物体，红色指示灯表示雷达正在运行，绿灯表示探测成功。图di-iv的结果对比显示，在四种不同的实验条件下，只有用FAMMA器件遮挡模型车可以不被探测到通过雷达区。此外，一种调频连续波(FMCW)雷达成像系统比较了四种条件下的隐身性能，如图5ei-iv所示，只有充满水的FAMMA器件显示出强大的雷达隐身能力，模型战斗机的遮挡部分从雷达图像中完全消失，而未屏蔽的尾部仍然清晰可见。这些实验均验证了FAMMA吸波器件具有优越的雷达隐身能力，证明了其实际应用价值。

图5. FAMMA的雷达隐身应用展示。

总结：张晓升教授、张翼教授团队通过聚合3D微流控环状元原子（FAMMA）开发了一种新型的电磁超材料，使用摩方微纳3D打印技术精确制造FAMMA微流体阵列，在W波段实现有效阻抗匹配并产生高效的宽带吸收。SEM结果证实，关键几何尺寸的结构保真度高，制造误差低。通过全波模拟阐明了FAMMA的电磁吸收和能量耗散机理，并通过参数扫描对FAMMA的几何设计进行了优化，模拟和实验结果较好吻合。此外，团队还通过数值模拟研究了FAMMA在不同温度和入射角度下的吸收性能，结果表明其具有良好的温度和极化不敏感性以及广角入射特性。最后，实验结果表明其能显著抑制雷达回波，防止被雷达探测器和FMCW雷达成像系统捕获，具有出色的雷达隐身性能。这一研究结果为在高速通信、汽车辅助驾驶、穿透墙传感和无人机检测中实现创新的超材料结构开辟了新的路径。

https://doi.org/10.1007/s40820-025-02018-2

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