近日，西北工业大学孔杰教授团队在微波吸收-透波一体化超材料研究领域取得新进展，提出一种基于双层超材料复合结构的高性能吸波-透波集成新策略，成功构建了具备低频透波与高频吸收功能的复合体系，在同时需要实现低频通带透波与高频带外吸收的应用场景中展现出重要潜力。

  相关研究成果以“Integrated Electromagnetic Wave Absorption-Transmission via 3D-Printed Bilayered Metamaterial”为题，发表于Advanced Functional Materials期刊上。

  为实现高质量无线通信并有效抑制电磁干扰，一种能够集成信号传输与吸收功能的电磁调控技术近年来在军民领域备受关注。该技术可在指定频带内高效传输有用信号，同时将带外干扰电磁波吸收而非反射，从而显著降低二次电磁污染，在提升通信质量的同时增强系统的隐身性能。将其应用于天线罩时，既能保障通带内通信畅通，又能吸收并抑制带外干扰。更重要的是，该吸收机制可大幅降低雷达散射截面，显著提升目标的低可探测性，这对应对双/多基地雷达系统具有重要意义。

  针对这一需求，研究团队提出一种创新的双层复合结构，通过将三维超材料吸波体与频率选择表面有机结合，实现了高性能的吸波-透波一体化。团队通过对材料组分与几何结构进行协同调控，从而优化阻抗匹配、抑制边缘散射。该双层结构总厚度仅为6毫米，在3.5–7 GHz频段内实现高效信号传输，在12–18 GHz频段内高效电磁波吸收，其综合带宽与厚度均优于现有频率选择吸收体。

  首先通过引入聚乙二醇二丙烯酸酯（PEG-DA）改性光固化聚合物基体，显著提升了材料的光固化速度与交联密度，从而克服了导电填料（EGaIn与CNTs）对光固化过程的负面影响。通过协同使用EGaIn与CNTs，成功构建了连续导电网络，实现了高效的电磁波吸收性能，并借助微观表征证实了填料在基体中的均匀分散与界面氧化态，为高性能3D打印电磁功能材料的制备提供了有效策略（图1）。

图1. 改性聚合物基体、导电组分及其复合材料的表征结果。(a) 改性基体的合成路径示意图。 (b) 改性基体及其与不同含量EGaIn复合材料的光聚合放热过程热流曲线。 (c) 含复合材料的扫描电镜图像，显示两者交织形成的明显导电网络结构。 (d) 复合材料的光固化流变行为。(e) 块体材料横截面的扫描电镜及伪彩色元素分布图。(f) 计算机断层扫描分析。 (g) EGaIn微球尺寸分布图

  基于EGaIn-CNTs构建导电网络并形成丰富的界面极化，EGaIn含量的增加可显著提升复合材料的复介电常数，优化阻抗匹配特性。其中含10 wt.% EGaIn的复合材料在2.3 mm厚度下实现了5.98 GHz的最大有效吸收带宽，性能优于低含量样品。Cole-Cole分析表明，EGaIn的加入促使损耗机制从单一极化损耗转变为极化与导电损耗协同作用，而整体衰减常数与阻抗匹配的协同优化是获得高性能宽带微波吸收的关键（图2）。

图2. 电磁参数与吸波性能表征。(a) 不同含量的EGaIn的复合材料在2–18 GHz频段内的复介电常数实部与虚部。(b) 不同EGaIn含量复合材料在2–18 GHz频段内的介电损耗因子和归一化输入阻抗。理想阻抗匹配条件定义为|Z_in/Z₀|=1，以虚线标示。(c, d) 含10 wt.% EGaIn的代表性样品在不同厚度下的三维电磁波吸收分布图。(e) 含10 wt.% EGaIn代表性样品在不同厚度下的反射损耗曲线。(f)不同含量EGaIn的三种复合材料在相同厚度（2.3 mm）下的吸收带宽对比。(g) 不含EGaIn复合材料的Cole-Cole图。 (h) 含10 wt.% EGaIn复合材料的Cole-Cole图。(i) 含0 wt.%（红色曲线）与10 wt.%（蓝色曲线）EGaIn复合材料之间极化损耗和导电损耗的对比分析

  通过系统仿真比较三种极小曲面超材料单元，发现Schwarz P结构在特定几何参数（a=15 mm, c=12 mm）下能最佳平衡透波（2.3–4.0 GHz）与吸波（12.2–14.5 GHz）性能，其优势归因于宽带阻抗匹配能力及梯度空腔结构对电磁波的高效调控。该研究为设计高性能吸波-透波一体化超材料提供了有效的结构选型依据（图3）。

图3. 三种代表性极小曲面超材料单元的模拟S参数曲线，包括（a, b）Schwarz P结构和（c, d）Gyroid Gradient结构在2-18 GHz频段内，随水平方向（XY平面）与垂直方向（Z轴）尺寸缩放的变化

  通过将Schwarz P超材料与耶路撒冷十字形FSS集成构建双层超结构，成功实现了吸波-透波性能的协同优化。实验表明，该设计在3.5–7.0 GHz频段实现高效透波（带宽3.5 GHz），在12–18 GHz频段实现强吸收（带宽6 GHz）。相比现有吸波-透波一体化材料，该结构在带宽综合性能与厚度方面均展现出显著优势（图4）。

图4. 双层超材料的制备与性能评估。(a, b) 制备的双层超材料（16 × 16 × 0.6 cm³）的照片图像。(c) 双层超材料在2-18 GHz频段内模拟（虚线）与实测（实线）的S₁₁/S₂₁参数曲线。(d) 双层超材料的透波、反射及吸收效率曲线。(e) 本工作双层超材料与其他已报道的吸波-透波一体化超材料的吸收频段与透波频段对比图。(f) 三维雷达对比图

  双层超材料借助Schwarz P结构的梯度空腔设计，有效优化了阻抗匹配性能，史密斯圆图也证实该结构能显著提升材料的阻抗匹配。底层频率选择表面（FSS）负责实现对电磁波的选择性透射与反射功能：在低频条件下，电磁波可高效穿透整个系统；而在高频段，通过反射效应，能量被有效局域于吸波层中，并经由导电网络、界面极化等多种机制实现耗散。通过通信信号透传与Ku波段吸热效应，直观证实了双层超材料能有效集成透波与吸波功能：在通信频段实现高效信号传输且几乎不产生温升，在吸波频段则快速将电磁能转化为热能。这一结果为该材料在多功能集成电磁系统中的应用提供了有力支撑。

  本研究基于EGaIn-CNTs复合材料成功实现了吸波-透波一体化功能，展现出卓越的低频透过与高频吸收性能。该工作提出了一种可扩展的复合结构新方案，突破了传统设计中吸波与透过性能的相互制约，为发展兼具可靠通信与隐身能力的新一代智能天线罩奠定了坚实的技术基础。

  该项工作得到国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划等资助。西北工业大学化学与化工学院博士生孙寒旭为第一作者，孔杰教授为通讯作者。

  全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202531190