電磁(EM)超材料吸波材料(MMA)代表了一類具有變革性的人工工程材料，能以傳統吸波材料無法實現的方式調控電磁波。傳統吸波材料的電磁吸收特性通常由其固有介電損耗特性所決定。具有寬帶吸收的MMA在無線通信、雷達隱身、電磁干擾屏蔽和光學隱身等各種應用中具有廣泛的應用前景。然而，MMA的性能目前面臨雙重制約。首先，固有特性往往導致共振吸收被限制在較窄的吸收帶寬和頻率較低的微波頻段。其次，隨著MMA的結構變得越來越復雜，傳統的制造技術往往難以實現這些復雜的結構，受到材料和工藝兼容性的限制。因此，寬帶MMA開發的核心挑戰在于單元晶胞結構的設計和復雜結構的可制造性，以實現寬帶和強吸收特性。
近期，電子科技大學的張曉升教授、張翼教授團隊在國際著名期刊《Nano-Micro Letters》上在線發表題為“Annular Microfluidic Meta?Atom Fusion?Enabled Broadband Metamaterial Absorber”的原創性論著。該研究通過單元晶胞為3D聚合環形微流道元原子（FAMMA）的超材料吸波體在W波段展現出寬帶電磁吸收性能。該文章提出了一種新型的3D打印液基超材料吸波體，三種環形微流道元原子正交聚合形成內部有液體填充的復雜三維結構陣列，通過摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)技術3D打印加工制備（microArch? S240，精度：10μm），利用獨特的三維正交結構的固液耦合協同效應在75-110 GHz實現強大的寬帶吸收。這項工作為寬帶MMA建立了新的設計理念，為未來毫米波通信、電磁屏蔽、雷達隱身等應用開辟了新的途徑。
首先，作者為了獲得所需電磁共振特性的MMA單元晶胞，如圖1a-c所示，設計了幾何結構和材料上相同、僅排布方式不同的A、B、C三種環形水原子分別產生不同的共振吸收電磁響應。通過三種環形微流體元原子不同方向上的共振單元堆疊和擴展，得到正交聚合FAMMA(圖1d-e)，共振峰疊加進一步擴寬吸收帶寬。電磁波入射到FAMMA表面的傳播過程如圖1所示。圖1g-i的模擬結果表明了FAMMA具有偏振不敏感特性和廣角入射特性。圖1j-k對三種不同模型的雷達散射截面RCS分布進行比較分析，充滿水的FAMMA對雷達回波的衰減明顯更強，突出了FAMMA具有很強的電磁波衰減能力。
圖1. FAMMA結構設計和仿真的電磁吸收性能。
然后，作者通過數值模擬對FAMMA的電磁吸收機理進行分析，通過模擬不同的結構模型來驗證水基FAMMA在吸收電磁波方面的優越性。與填充樹脂或平面水層的模型相比，FAMMA表現出了最優異的寬帶吸收，其最小反射損耗（RLmin）可低至近-50dB，圖2a表明FAMMA的這種優異的寬帶吸收來自于正交水環與樹脂結構之間的耦合作用。阻抗匹配理論表明，當MMA的特征阻抗與自由空間阻抗匹配越高，吸波效果越好。如圖2b-d所示，作者采用S參數反演法計算了FAMMA整體的等效電磁參數（ε、μ、n），并由模擬的S參數計算了FAMMA的歸一化阻抗Z。為了進一步闡明FAMMA的電磁吸收機制，在88.12GHz處對電磁場分布和能量耗散進行了全波模擬，從電場分布、磁場分布、能量損失密度分布等方面進行了更深入的機理分析（圖2e-f）。
圖2. 通過數值模擬分析FAMMA電磁吸收機理。
FAMMA的主要幾何尺寸參數（Geometric Dimensions）包括總厚度(H)、單胞周期(P)以及環形微流控通道的內徑(r)和外徑(R)、微流道直徑（D）。通過參數掃描系統地研究了這些參數對電磁吸收性能的影響，從掃描結果確定了三個具有代表性的幾何尺寸設計 (圖3)。幾何尺寸Ⅰ(GDⅠ)的FAMMA吸波器件可實現超低RL，其RLmin約為-50dB，EAB為20.8GHz；GDⅡ的吸收相對較弱，RLmin約為-20dB，但可實現超寬帶吸收，其EAB幾乎覆蓋整個W波段；GDⅢ整體呈現雙頻吸收，在高頻(100.02~107.62GHz)和低頻(75~86.48GHz)都有較強的吸收。
圖3. 幾何尺寸不同參數（GD I、GD II、GDIII）對于電磁吸收性能的影響。
在完成仿真設計和分析后，作者利用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)技術（microArch? S240，精度：10μm）3D打印加工制備了基于FAMMA的整體器件，通過真空輔助輸液將水進行填充。該器件為10×10陣列，總體尺寸為4.0mm×4.0mm×3.6mm(L×W×H)(圖4a)。橫截面的SEM圖像揭示了FAMMA的內部結構，證實可以成功制備中空的、三維正交聚合的環形微通道。高精度的PμSL 3D打印機準確地再現了幾何設計，尺寸誤差一般為1%，但環形內徑r的誤差略高，為2.4%(圖4b)。這一精度水平滿足了W波段電磁波吸收測試的要求。在微波暗室中采用自由空間法測量了器件的吸波效果，RL的測量結果與模擬結果有較好的一致性。將本文提出的設計與已經報道的水基MMA進行了關鍵指標的比較(圖4f)。相比之下，大多數已報道的水基MMA主要工作在40GHz以下，通常需要更厚的結構才能獲得類似的吸收性能。而FAMMA在輕薄的設計下展現出的RL達到了?40dB以下，這種優異電磁吸收性能歸功于獨特的元原子聚合策略和微納3D打印制造。
圖4. FAMMA器件的3D打印制造和吸波測試結果以及與其他工作的性能比較。
最后，為了評估FAMMA在雷達隱身應用中的潛力，作者通過使用矢量網絡分析儀測量了W波段的回波功率來評估其吸收電磁能量的能力(圖5a-b)。FAMMA器件相較于金屬板能夠產生18.1dBm的電磁衰減。在隱身實驗場景中，將FAMMA吸波器件安裝在模型汽車（圖5d）和模型戰斗機（圖5e）上。雷達探測器用于識別范圍內的物體，紅色指示燈表示雷達正在運行，綠燈表示探測成功。圖di-iv的結果對比顯示，在四種不同的實驗條件下，只有用FAMMA器件遮擋模型車可以不被探測到通過雷達區。此外，一種調頻連續波(FMCW)雷達成像系統比較了四種條件下的隱身性能，如圖5ei-iv所示，只有充滿水的FAMMA器件顯示出強大的雷達隱身能力，模型戰斗機的遮擋部分從雷達圖像中完全消失，而未屏蔽的尾部仍然清晰可見。這些實驗均驗證了FAMMA吸波器件具有優越的雷達隱身能力，證明了其實際應用價值。
圖5. FAMMA的雷達隱身應用展示。
總結：張曉升教授、張翼教授團隊通過聚合3D微流控環狀元原子（FAMMA）開發了一種新型的電磁超材料，使用摩方微納3D打印技術精確制造FAMMA微流體陣列，在W波段實現有效阻抗匹配并產生高效的寬帶吸收。SEM結果證實，關鍵幾何尺寸的結構保真度高，制造誤差低。通過全波模擬闡明了FAMMA的電磁吸收和能量耗散機理，并通過參數掃描對FAMMA的幾何設計進行了優化，模擬和實驗結果較好吻合。此外，團隊還通過數值模擬研究了FAMMA在不同溫度和入射角度下的吸收性能，結果表明其具有良好的溫度和極化不敏感性以及廣角入射特性。最后，實驗結果表明其能顯著抑制雷達回波，防止被雷達探測器和FMCW雷達成像系統捕獲，具有出色的雷達隱身性能。這一研究結果為在高速通信、汽車輔助駕駛、穿透墻傳感和無人機檢測中實現創新的超材料結構開辟了新的路徑。
原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-025-02018-2
