Bio-Inspired Microwave Modulator for High-Temperature Electromagnetic Protection, Infrared Stealthand Operating Temperature Monitoring
Xuan Yang, Yuping Duan*, Shuqing Li, Huifang Pang, Lingxi Huang, Yuanyuan Fu, Tongmin Wang
Nano-Micro Letters (2022)14: 28
https://doi.org/10.1007/s40820-021-00776-3
1. 以甲虫翅鞘为仿生对象，通过简单的真空定向浸渍工艺制备了多功能微波调制器，在宽温度范围内实现了电磁防护、红外隐身以及工作温度的实时监测。
2. 微波调制器同时具备电磁波吸收和辐射偏转两种电磁防护机制。
3. 在298-673 K，1.5 mm厚的微波调制器的最大有效吸收带宽达5.2 GHz，最佳电磁防护效率超过97%。
通信技术的发展以及多频谱探测技术的使用不仅极大的拓宽了电磁防护材料的应用领域还对其功能的多样性提出了更高的要求。面对复杂的应用环境和使用要求，开发适用于宽温度范围的多功能电磁防护材料十分必要。传统的吸波材料是将吸收剂弥散分布在基体中，由于吸收剂缺乏空间结构设计，一方面很难调控其在宽温度范围内的损耗能力，同时也不利于通过吸收剂的部分物理特性实现多种功能的开发和集成；另一方面吸收剂的弥散分布保留了吸波材料电磁特性的平移不变性，从而限制了其在与电磁波交互作用时对反射波的调控能力。基于此，选择吸收剂并为其匹配合适的结构模板，获得特定的空间排布结构是打破上述限制，实现电磁防护能力优化，多功能集成等目标的必要途径。大连理工大学段玉平教授课题组，参照长戟甲虫翅鞘颜色动态调节的相关机制，开发出一种多功能微波调制器，能够在宽温度范围内实现电磁防护、红外隐身以及温度监测。不同于传统高温吸波材料，本研究以碳化椴木为结构模板，通过在其一维孔道中真空定向浸渍羰基铁/树脂复合物实现两种吸收剂的间隔排列。一方面此种排列方式实现了介电损耗和磁损耗的协同优化，另一方面两种吸收剂电磁特性的显著差异打破了电磁特性的平移不变性，在8.2-18.0 GHz频段内造成多次相位突变，从而实现对反射电磁波辐射方向的调制，使得微波调制器在宽温度范围内同时具备电磁波吸收和辐射偏转两种电磁防护机制。此外本研究利用微波调制器表现出的低热导率以及单调的电导率-温度特性，分别开发出红外隐身、工作温度的实时监测功能，进一步提高材料面对多种探测手段时的隐身能力以及在高温环境应用时的安全阈值。该微波调制器的开发也为当前高温吸波材料多功能化和智能化的设计提供了一定的经验。
如图1所示，当环境湿度增大时，甲虫翅鞘的颜色会由浅棕色变为深棕色，究其根本原因是翅鞘中海绵层尖刺状结构周围的填充介质由空气变为水，导致与尖刺状结构之间的折射率差异变小，使得进入翅鞘中的光线由后向散射变为透射。受上述机制的启发，将两种电磁波吸收剂间隔排列，并控制两种吸收剂电磁特性的差异，不仅能够实现电磁波的吸收，还有可能够进一步调节电磁波的传输方向，从而使得材料具备多种电磁防护机制。
图1. (a) 甲虫翅鞘颜色随环境湿度变化；(b) 翅鞘结构示意图；(c) 上表皮SEM图像；(d) 海绵层SEM图像；(e) 内表皮SEM图像；(f) 湿度改变光线在翅鞘中的传输路径。
II 多功能微波调制器的制备
以碳化椴木(C-wood)为结构模板，通过在其一维孔道中真空浸渍羰基铁/树脂复合物(CIP/resin)制备了CIP/C-wood微波调制器(图2a)。如图2(b-h)所示，依托C-wood提供的规整的孔道结构，成功实现了CIP/resin与C-wood两种电磁波吸收剂在水平方向的间隔排列。由于使用C-wood代替了传统的树脂基体，CIP/C-wood微波调制器在加工以及形状设计方面展现出了更大的自由度，在实际应用中可实现点对点快速修复(图2i-k)。
图2. (a) CIP/C-wood制备示意图；(b) 椴木的横向截面SEM图；(c) C-wood的横向截面SEM图；(d) 椴木的纵向截面SEM图；(e) C-wood的纵向截面SEM图；(f) CIP/C-wood的横向截面SEM图；(g) CIP/C-wood的纵向截面SEM图；(h) CIP/C-wood的元素分布图；(i, j) CIP/C-wood微波调制器；(k) 快速修复示意图。
III 两种电磁防护机制的分析
如图3(a-c)所示，1.5 mm厚的CIP/C-wood微波调制器在298-673 K范围内的最大有效吸收带宽达5.2 GHz，并且通过与C-wood和无间隔排列的CIP/-wood对比，发现间隔排列结构对其电磁防护性能有着重大影响。HFSS的模拟结果证明CIP/resin与C-wood形成的间隔排列结构可以同时提升X轴、Y轴、Z轴三个纬度的电磁波损耗能力(图3d-f)。与弥散分布的吸收剂相比，二者的间隔排列打破了电磁特性的平移不变性，在8.2-18.0 GHz范围内造成多次相位突变，使得原本沿Z轴反射的电磁波出现了大角度偏转(图3g-j)。因此CIP/C-wood微波调制器同时具备了电磁波吸收和反射波偏转两种电磁防护机制。
图3. (a) CIP/C-wood在不同温度下的反射损耗；(b, c) 电磁防护性能对比；(d, e) 真空浸渍前后C-wood的电磁波体损耗密度；(f) CIP/resin的电磁波体损耗密度；(g, h) C-wood和CIP/C-wood的三维远场辐射图；(i, j) C-wood和CIP/C-wood的相位图。
IV 多功能集成
由于C-wood同时具备接近于外部环境的红外发射率(0.95)以及低热导率，因此不管是应用于低温还是高温环境，CIP/C-wood微波调制器都能够有效的隐藏目标物体的热信号，实现其在复杂环境下的红外隐身(图4a)。此外CIP/C-wood微波调制器在298-673 K范围内还表现出了单调的电导率-温度特性，利用这一特性将微波调制器转化成温度传感器并且建立完整的反馈系统，成功地实现工作温度的实时监测和超温报警，有效地提高了设备在使用过程中的安全阈值(图4b, c)。
图4. (a) CIP/C-wood微波调制器在不同温度下的热导率；(b) CIP/C-wood微波调制器在不同温度下的电导率；(c) CIP/C-wood作为温度传感器用于工作温度监测和超温报警。
杨萱
本文第一作者
大连理工大学 博士研究生
多功能高温微波吸收材料的制备及智能化设计
▍主要研究成果
在Carbon、Journal of Materials Chemistry C等期刊以第一作者发表论文三篇。
段玉平
本文通讯作者
大连理工大学 教授
吸波涂层、高熵合金吸收剂、仿生超结构隐身材料。
▍简介
大连理工大学材料科学与工程学院教授，大连理工大学国际教育学院院长、留学生办公室主任，辽宁省凝固控制与数字化制备技术重点实验室副主任，辽宁省优秀共产党员，辽宁省教学名师，获宝钢优秀教师奖，国家一流本科课程负责人，中国材料研究学会超材料分会理事。入选教育部新世纪优秀人才支持计划、辽宁省科技创新领军人才、第六批“百千万人才工程”千人层次，先后主持国家自然科学基金、重点研发计划项目、基础加强和航空产学研等项目多项。以第一作者或通讯作者在Nano-Micro Letters、Small、Carbon、Advanced Optical Materials等国内外著名期刊发表论文共200余篇，授权国家发明专利15项，转让2项。出版学术专著3部，主编教材1部，参与制定行业标准1项。
▍Email: duanyp@dlut.edu.cn
Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2020JCR影响因子达16.419，学科排名Q1区前10%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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