供稿人：康友偉、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2025-05-15
在極端多物理場耦合環(huán)境（如太空探索、衛(wèi)星通信）中，開發(fā)兼具電磁響應(yīng)可調(diào)性與機械穩(wěn)定性的多功能超材料是重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)電磁超材料通常具有固定響應(yīng)特性，難以適應(yīng)溫度驟變等復(fù)雜工況。近年來，4D打印技術(shù)通過引入時間維度，使材料在外界刺激下動態(tài)變形，為可調(diào)超材料提供了新思路。然而，現(xiàn)有研究多聚焦單一功能調(diào)控，如何實現(xiàn)電磁性能與機械行為的協(xié)同設(shè)計仍是難題。
西安交通大學(xué)團隊提出了一種基于連續(xù)碳纖維（CCF）復(fù)合材料的4D打印雙功能超表面，首次將電磁頻率選擇特性與可調(diào)熱膨脹行為（負(fù)/正/近零膨脹）集成于一體。該超表面由周期性手性雙材料弧形梁陣列構(gòu)成（圖1a），兩層分別采用高膨脹系數(shù)的尼龍，以及低膨脹、高導(dǎo)電的連續(xù)碳纖維復(fù)合材料。通過4D打印精確控制材料分布與結(jié)構(gòu)參數(shù)，超表面可在溫度變化下發(fā)生可控形變，進而調(diào)節(jié)電磁波傳輸頻段（圖1b）。
研究團隊結(jié)合理論與實驗，揭示了結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能的調(diào)控規(guī)律。理論推導(dǎo)表明，雙材料弧形梁的寬度比與模量比共同決定熱膨脹系數(shù)（CTE）極值。通過優(yōu)化弧形半徑、初始弧度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，超表面在30K溫升下可呈現(xiàn)-1333×10^-6 K^-1的負(fù)熱膨脹系數(shù)，創(chuàng)同類材料紀(jì)錄（圖1c）。電磁測試表明，CCF/PA的高導(dǎo)電性使超表面在4-6GHz頻段具有選擇性透波特性，其傳輸頻段可通過熱致形變動態(tài)調(diào)整。實驗數(shù)據(jù)顯示（圖1d），當(dāng)溫度升高時，超表面變形，?1 dB 傳輸帶從 4.5~5.07 GHz 移動到 4.66~5.14 GHz，偏移量與帶寬之比約為 28.1%。這種電磁頻段調(diào)控能力源于連續(xù)碳纖維的高導(dǎo)電性與弧形梁熱變形的協(xié)同作用，通過改變周期性單胞尺寸和曲率半徑，可進一步實現(xiàn)頻移幅度的精準(zhǔn)定制。
該成果突破了傳統(tǒng)超材料功能單一的限制，為太空設(shè)備在極端溫變環(huán)境下提供了尺寸穩(wěn)定性和自適應(yīng)通信性能的集成解決方案。例如，衛(wèi)星天線支架可借助近零膨脹特性避免熱變形導(dǎo)致的信號漂移，也可通過熱控調(diào)節(jié)透波頻段，簡化傳統(tǒng)分體式溫控與濾波系統(tǒng)的復(fù)雜架構(gòu)。
圖1 4D打印熱可調(diào)超表面：(a) 負(fù)熱膨脹與正熱膨脹的兩類超表面；(b) 通過溫度變形調(diào)節(jié)電磁波傳輸頻段的原理示意圖；(c) 變結(jié)構(gòu)參數(shù)的負(fù)熱膨脹超表面的CTE；(d) 變形前后的超表面的電磁透射能力對比。