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Los materiales absorbentes tradicionales tienen una hipótesis de ingeniería implícita: la banda de absorción está bloqueada en el momento en que se completa la preparación del material. Los ingenieros seleccionan la fórmula y el grosor del material de acuerdo con la banda de ruido objetivo, y los parámetros electromagnéticos del material después de la colocación no cambian.
Esta hipótesis es válida en la mayoría de los escenarios, pero se convierte en un cuello de botella en algunas aplicaciones. Un dispositivo de comunicación que necesita cambiar entre varias bandas de frecuencia, si cada banda de frecuencia necesita un esquema de absorción de ondas independiente, el peso y la complejidad del sistema aumentarán significativamente. Un vehículo aéreo que necesita mantener un rendimiento sigiloso en diferentes actitudes de vuelo, la piel absorbente de ondas con bandas de absorción fijas no puede adaptarse a los cambios en el perfil de la misión.
Los metamateriales absorbentes ajustables impresos 4D proporcionan una idea diferente: hacer que el propio material tenga la capacidad de memoria de forma, cambiar la macroestructura a través de estímulos externos y, por lo tanto, ajustar la banda de absorción.
Reconfiguración del ancho de banda impulsada por la memoria de forma
El núcleo de la impresión 4D es la introducción de materiales inteligentes que puedan responder a estímulos externos en la estructura de impresión 3D. Entre los metamateriales absorbentes de ondas, los materiales inteligentes comunes son los polímeros de memoria de forma (smp), como el ácido poliláctico (pla) o el poliuretano (pu). Estos polímeros se pueden programar en forma temporal por encima de una temperatura específica, fijar después de enfriarse y volver a la forma original cuando se vuelven a calentar.
Un trabajo representativo combina cerámica de alta entropía (hec) con elástico de memoria de forma para construir un Metamaterial cerámico de alta entropía apoyado en carbono poroso jerárquico a través de la impresión 4d. El material se puede reconfigurar estructuralmente bajo una excitación térmica moderada de 120 ° c, logrando una absorción ajustable en el rango de 5,24 a 18 ghz, manteniendo al mismo tiempo una pérdida de reflexión inferior a - 20 DB (tasa de absorción ≥ 99%). Su ancho de banda de absorción efectivo alcanzó los 14,16 GHz (≥ 90% de absorción), un 198,88% más que el material a granel no estructurado.
El mecanismo físico de la expansión del ancho de banda proviene de los cambios en la ruta de propagación de ondas electromagnéticas por la reconstrucción estructural. Cuando la estructura de memoria de forma se recupera de la forma temporal a la forma original, la distancia y el ángulo entre las unidades cambian, y los parámetros electromagnéticos equivalentes se ajustan en consecuencia. El esqueleto de carbono poroso jerárquico proporciona un canal continuo de pérdida de conducción, mientras que las unidades cerámicas de alta entropía contribuyen a la pérdida dieléctrica, y la sinergia entre los dos siempre mantiene la estabilidad de la ventana de coincidencia de resistencia durante el proceso de reconstrucción estructural.
¿¿ por qué la estructura poroso jerárquica es la clave?
Las propiedades de los metamateriales absorbentes de ondas ajustables dependen en gran medida del diseño jerárquico de su estructura de poros internos. Una sola estructura microporosa o mesoporosa a menudo no puede cumplir con los requisitos de emparejamiento de resistencia y resistencia a la pérdida al mismo tiempo.
La investigación de ingeniería de agujeros múltiples de materiales de carbono derivados de mof proporciona una referencia valiosa. A través del método de plantilla de microesferas de poliestireno, se puede construir una estructura de poros multinivel de macroporos - mesoporos - microporos en carbono derivado de mof. Los agujeros grandes proporcionan canales de baja resistencia para que las ondas electromagnéticas entren en el interior del material, los poros intermedios aumentan el área de contacto entre las ondas electromagnéticas y la pared del material, mientras que los microporos aumentan la pérdida dieléctrica a través de la polarización de defectos y la polarización de la interfaz. Este diseño de poros multinivel permite que el material logre una absorción efectiva de ondas electromagnéticas a una cantidad de relleno extremadamente baja.
En los metamateriales impresos 4d, otra función de la estructura de poros jerárquicos es proporcionar espacio para la reconstrucción de la forma. Cuando el polímero de memoria de forma se deforma, la estructura poroso permite el movimiento relativo entre las unidades sin producir una acumulación significativa de estrés interno. Si el material es denso, el estrés necesario para la reconstrucción de la forma puede superar la resistencia de la matriz de polímero, lo que resulta en grietas estructurales. Los poros multinivel equivalen a proporcionar un "espacio de amortiguación" para la deformación, lo que permite mantener la función ajustable después de repetidos ciclos térmicos.
Tres juicios en la selección de Ingeniería
Para los escenarios de aplicación que requieren ajustar dinámicamente la banda de absorción, la selección de metamateriales absorbentes ajustables impresos 4D se puede desarrollar a partir de las siguientes dimensiones.
Emparejamiento de la forma de estimular con el entorno de trabajo
La estimulación térmica es actualmente el método de activación más maduro, y la temperatura de recuperación de la forma suele rondar los 120 ° c. Para escenarios en los que la temperatura ambiente de trabajo se acerca por sí misma a este rango (como cerca del compartimento del motor o en el interior de dispositivos electrónicos de alta potencia), el material puede tener una recuperación de forma cuando no se espera. En este momento, se debe seleccionar un sistema de memoria de forma que desencadene una temperatura más alta o cambiar a métodos de estimulación no térmica como tensión y campo eléctrico. Los metamateriales reconfigurables basados en la estructura de corte de papel y origami logran el cambio de forma a través del estiramiento mecánico, logran la absorción de banda ultra ancha en el rango de 2,7 a 15,6 ghz, y las propiedades electromagnéticas se mantienen estables a medida que aumenta el ángulo de incidencia. Este tipo de esquema de activación mecánica es más adecuado en escenarios sensibles a la temperatura.
Alcance ajustable y cobertura de la banda objetivo
El valor central de los materiales absorbentes ajustables es cubrir varias bandas de frecuencia con un esquema de material. Al seleccionar el modelo, se debe confirmar si la cobertura de la banda de absorción del material antes y después de la reconstrucción de la forma cubre completamente todas las bandas de trabajo de la aplicación objetivo. Por ejemplo, si el dispositivo necesita cambiar entre la banda C (4 - 8 ghz) y la banda Ku (12 - 18 ghz), el rango ajustable del material debe cubrir al menos 4 - 18 ghz. Los materiales absorbentes inteligentes basados en vo se ajustan dinámicamente en la banda Ku a través de la transición de fase aislador - metal, y el rango máximo de ancho de banda de absorción efectivo ajustable alcanza los 8,35 ghz, lo que proporciona una ruta técnica factible para el cambio de banda de amplio alcance.
Estabilidad cíclica y fatiga estructural
La función ajustable de los metamateriales de impresión 4D depende de la capacidad de deformación repetida de los polímeros de memoria de forma. Cada ciclo térmico o mecánico acumula microdaños en la matriz de polímeros, y la tasa de recuperación de la forma puede disminuir después de cientos de ciclos. Al seleccionar el modelo, se debe exigir al proveedor que proporcione datos de rendimiento de absorción después de al menos 100 ciclos de memoria de forma. Si la tasa de recuperación de la forma es inferior al 90%, la fiabilidad de la función ajustable del material en el uso real será difícil de garantizar. Algunos metamateriales de impresión 4D pueden completar más del 90% de la recuperación de la forma en 30 segundos, y este tipo de características de respuesta rápida tienen ventajas obvias en aplicaciones que requieren cambios frecuentes.
Academia avanzada (shenzhen) Technology co., Ltd.Tiene capacidad de ingeniería en el troquelado de precisión, el compuesto multicapa y la personalización de piezas especiales de materiales absorbentes de ondas, y su serie de materiales absorbentes de ondas de platino soporta la forma de hoja, rollo y troquelado de precisión, que se puede personalizar de acuerdo con la banda de frecuencia específica y las restricciones espaciales.
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