随着现代电子和通信技术的快速发展，微波吸收材料在宽带吸收和轻质化需求方面的重要性日益凸显。为了应对不断升级的检测系统和扩展的通信频段，研究人员开发了多种微波吸收材料，旨在实现宽带吸收和轻量化目标。目前，对现有微波吸收材料的研究主要集中在微/纳米形态的调节和有损介质的组成上，尽管微/纳米 吸波材料表现出卓越的吸收性能，但在实际应用中，优化纳米吸波材料仍面临一些巨大的挑战。
近日，西南交通大学孟凡彬教授团队在期刊《Small Structures》上，发表了最新研究成果“Top-Level Electromagnetic Design of Multi-shell Resonant Cavity for Microspherical Microwave Structural Absorbers”。研究者通过电磁模拟、可控制造和数值分析，利用连续多层结构和微/纳米形态调控的优势，提出了一种全面的球状宽带吸收器设计方案。研究者利用可控多轴电纺技术，根据电磁模拟得出的宽带电磁波吸收设计原理，成功制备了具有多层核壳结构的石墨烯基气凝胶微球。通过调节和完善壳体结构参数、优化多层壳体设计、调控微/纳米形态以及实施纳米材料的界面工程，可以显著改善气凝胶微球的电磁衰减行为和阻抗匹配性能。
图1：石墨烯基多层气凝胶微球的电磁特性设计与仿真分析
研究团队首先通过电磁仿真建立了多种多壳层气凝胶微球的等效电磁模型，分析了不同壳层结构对电磁波吸收性能的影响。仿真结果表明，通过调节壳层参数和多壳层设计，可以显著优化气凝胶微球的阻抗匹配和电磁波衰减能力。基于仿真结果，研究团队制备了具有不同壳层结构的气凝胶微球，包括空心气凝胶微球（HGAMs）和多壳层气凝胶微球（MGAMs）。
图2 多壳层气凝胶微球的制备流程示意图及微观形貌
图3 多壳层气凝胶微球的吸波性能
基于电磁仿真和多层匹配原理，调控气凝胶微球（GAMs）以实现宽频高效吸收的策略可分为四种模式：壳层参数调控（模式 I）、双层/多层设计（模式 II）、微/纳米结构或组分调控（模式 III）以及群体效应调控（模式 IV）。通过多轴静电纺丝技术和定向冷冻方法，研究团队成功制备了具有可调结构参数的GAMs，包括空心GAMs（HGAMs）、双层GAMs（DGAMs）、三层GAMs（MGAMs）和带空腔的三层GAMs（HMGAMs），并通过调整外流速率和静电电压来精确控制空腔尺寸，发现内空腔的大小对电磁性能有显著影响。实验表明，空心腔尺寸的调控显著影响了电磁波吸收性能，如图3所示，具有最大空心谐振腔的HGAMs-3在3.3 mm厚度下实现了8.1 GHz的有效吸收带宽（EAB），最小反射损耗（RL）达到-34.8 dB，覆盖了大部分X波段和整个Ku波段。此外，通过引入透明层和多壳层设计，材料的阻抗匹配和频率响应得到了显著优化，进一步提升了宽带吸收性能。微/纳米结构的调控，如RGO片层的组装和磁性Fe3O4纳米颗粒的引入，有效增强了导电损耗和介电极化，优化了材料的电磁波吸收能力。
图4 单层与双层气凝胶微球阵列的电场与体积损失密度响应仿真分析
此外，通过弓形测试和电磁仿真，研究团队深入探讨了气凝胶微球（GAMs）的群协同吸收性能及衰减机制。实验表明，空心GAMs在双层阵列中展示了超宽带吸收性能，覆盖了3 GHz至18 GHz的频段，且呈现明显的多峰共振现象。厚度匹配和群共振效应共同导致了多峰产生，特别是4.3 GHz和18 GHz以上的峰值对应λ/4或3λ/4共振。HGAMs-4的理论吸收性能显示中等强度和最宽的有效吸收带宽（EAB），实际测试结果优于大多数已报道的宽带吸收材料。电磁仿真表明，透明层和空心腔设计显著改善了电场分布和衰减模式，空心腔促进了微球之间的传输耦合，而外层损耗壳增强了中心微球的衰减性能。研究还揭示，双层堆叠结构显著提升了电场分布和损耗密度，展示了连续模式和岛模式两种衰减机制。结果表明，通过调节自由空间参数（如透明层或空心腔），可以构建不同的协同衰减机制，进一步提升电磁波吸收性能。基于此研究提出的方法和设计原则，可为开发先进的宽带电磁波吸收材料提供重要的指导。通过进一步优化壳层结构和纳米材料的界面设计，预计能够拓宽吸收带宽并提升吸收效率，从而推动气凝胶微球在电磁波吸收、隐身技术、无线通信等领域的应用。
论文链接：https://doi.org/10.1002/sstr.202400666
