能调节微波吸收的多孔碳载高熵陶瓷新材料

本文报道了一种面向动态电磁环境的新型可调微波吸收材料。传统吸波材料存在两大瓶颈：一是吸收频带窄，难以覆盖现代无线通信（如5G/6G）和雷达系统所需的宽频段；二是结构固化后无法改变形状，适应不了需实时调节性能的应用场景。为此，研究团队创新性地将“4D打印”技术（即3D打印+智能响应材料）应用于吸波材料设计，成功制备出一种金字塔形可编程 metamaterial（超材料）。该材料核心由两部分构成：一是“分级多孔碳负载高熵陶瓷”（HEO@C），这是一种新型复合材料——以金属有机框架（MOF）衍生的多孔碳为骨架，均匀嵌入锆、铪、钛、镧、铈五种金属元素形成的高熵氧化物纳米颗粒；二是热响应型形状记忆弹性体（SMP），作为可变形基体。制作时，先将HEO@C与SMP树脂混合制成可挤出墨水，再用直写式3D打印（DIW）技术打印出二维平板图案；随后在120℃加热，材料软化并自动卷曲成三维金字塔空腔结构，冷却后定型；再次加热则可逐步恢复原状。这种“开合”运动改变了材料内部空腔与空腔之间的介电空间分布，从而激发不同频率的微波谐振，实现吸收频段的动态调控。实验证明：该材料在固定形态（金字塔开口角θ=63°）下，有效吸收带宽达14.16 GHz（吸收率≥90%），比同成分块体材料提升近200%；更重要的是，通过控制开口角度（63°→90°），其强吸收频段可从17.68 GHz连续红移至7.28 GHz，整体覆盖5.24–18 GHz范围（跨度12.76 GHz），且全程保持反射损耗低于−20 dB（即吸收率≥99%），完整覆盖C波段（4–8 GHz）、X波段（8–12 GHz）和Ku波段（12–18 GHz）。此外，该材料基体还展现出优异的结构适应性：可编程变形为螺旋结构、折纸结构或承重结构，证明其不仅可用于吸波，还可拓展至柔性电子、智能装备等领域。机理研究表明，优异性能源于多尺度协同作用：微观上，碳与高熵陶瓷界面处的电荷转移、氧空位及晶格畸变，显著增强了界面极化与偶极弛豫；宏观上，金字塔结构提供了梯度阻抗匹配，大幅降低微波反射，并在空腔间隙激发多重局域谐振，提升能量耗散效率。文章也坦诚指出当前局限：直写打印速度较慢、形状记忆仅支持有限几种状态、大规模组装易引入误差。未来方向包括开发多喷嘴并行打印、双向可逆智能材料、基于动态共价键的无缝焊接技术，以及结合人工智能进行结构逆向设计等。本工作为发展“多构型、可复位、自适应”的智能吸波材料提供了完整范式，有望推动其在下一代通信、国防隐身和生物医疗等领域的实用化。