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Les matériaux absorbants traditionnels ont une hypothèse d'ingénierie implicite: la bande d'absorption est verrouillée au moment où la préparation du matériau est terminée. L'ingénieur sélectionne la formulation et l'épaisseur du matériau en fonction de la bande de bruit cible, les paramètres électromagnétiques du matériau ne changent plus après le montage.
Cette hypothèse tient dans la plupart des scénarios, mais devient un goulot d'étranglement dans certaines applications. Un dispositif de communication qui nécessite une commutation entre plusieurs bandes de fréquences, si chaque bande nécessite un schéma d'absorption d'ondes indépendant, le poids et la complexité du système augmenteront considérablement. Un aéronef qui a besoin de maintenir des performances furtives dans différentes attitudes de vol, la peau absorbante qui fixe la bande d'absorption ne peut pas s'adapter aux changements de profil de mission.
L'impression 4D de supermatériaux absorbants réglables offre une idée différente: donner au matériau lui - même la capacité de mémoire de forme, modifier la macrostructure par des stimuli externes et ainsi réguler la bande d'absorption.
Reconfiguration de la bande passante par mémoire de forme
Au cœur de l’impression 4D se trouve l’introduction de matériaux intelligents qui répondent aux stimuli externes dans les structures imprimées en 3D. Parmi les supermatériaux absorbants, les matériaux intelligents couramment utilisés sont les polymères à mémoire de forme (SMP), tels que l'Acide polylactique (PLA) ou le polyuréthane (PU). Ces polymères peuvent être programmés pour des formes temporaires au - dessus d'une certaine température, fixés après refroidissement et ramenés à leur forme originale lorsqu'ils sont chauffés à nouveau.
Un travail représentatif a combiné des céramiques à haute entropie (HEC) avec des élastomères à mémoire de forme pour construire un Métamatériau céramique à haute entropie supporté par du carbone poreux hiérarchique par impression 4D. Le matériau peut être reconfiguré structurellement avec un stimulus thermique doux à 120 ° C, permettant une absorption réglable dans la gamme 5,24 - 18 GHz tout en conservant des pertes par réflexion inférieures à - 20 DB (absorption ≥ 99%). Sa bande passante d'absorption effective atteint 14,16 GHz (≥ 90% d'absorption), soit une augmentation de 198,88% par rapport à un matériau en bloc non structuré.
Le mécanisme physique de l'expansion de la bande passante provient de la modification du chemin de propagation des ondes électromagnétiques par la reconstruction structurelle. Lorsque la structure à mémoire de forme revient de la forme temporaire à la forme originale, l'espacement et l'angle entre les cellules changent et les paramètres électromagnétiques équivalents sont ajustés en conséquence. Le squelette en carbone poreux hiérarchique fournit un accès continu aux pertes conductrices, les cellules en céramique à haute entropie contribuent aux pertes diélectriques, et la synergie des deux maintient toujours la fenêtre d'adaptation d'impédance stable pendant la reconstruction structurelle.
Structure poreuse hiérarchique pourquoi la clé
Les propriétés du supermatériau absorbant les ondes réglables dépendent fortement de la conception hiérarchique de sa structure de pores internes. Une seule structure microporeuse ou mésoporeuse ne répond souvent pas simultanément aux exigences d'adaptation d'impédance et de résistance aux pertes.
Les études d'ingénierie des pores Multi - étagés sur les matériaux carbonés dérivés du MOF constituent une référence précieuse. Par la méthode du gabarit à microsphères de polystyrène, il est possible de construire une structure poreuse Multi - étagée macroporeuse - mésoporeuse - microporeuse dans du carbone dérivé du MOF. Les grands trous fournissent un canal de faible impédance pour les ondes électromagnétiques à l'intérieur du matériau, les mésopores augmentent la surface de contact des ondes électromagnétiques avec la surface de la paroi du matériau, et les micropores augmentent les pertes diélectriques par polarisation défectueuse et polarisation interfaciale. Cette conception de pores Multi - étagés permet au matériau d'obtenir une absorption efficace des ondes électromagnétiques avec des quantités de remplissage extrêmement faibles.
Un autre rôle de la structure poreuse hiérarchique dans les métamatériaux imprimés en 4D est de fournir un espace pour la reconstruction de la forme. Lorsque le polymère à mémoire de forme subit une déformation, la structure poreuse permet un mouvement relatif entre les cellules sans créer une accumulation importante de contraintes internes. Si le matériau est dense, les contraintes nécessaires à la reconstruction de la forme peuvent dépasser la résistance de la matrice polymère, provoquant la fissuration de la structure. La porosité Multi - étagée équivaut à fournir un « Espace tampon» pour la déformation, permettant aux fonctions réglables de rester après des cycles thermiques répétés.
Trois jugements en ingénierie
Pour les scénarios d'application nécessitant un réglage dynamique de la bande d'absorption, les options de métamatériaux absorbants réglables pour l'impression 4D peuvent être développées à partir des dimensions suivantes.
La façon de stimuler correspond à l'environnement de travail
La stimulation thermique est actuellement le mode de déclenchement le plus mature, avec des températures de récupération de forme généralement autour de 120 ° c. Pour les scénarios où la température ambiante de fonctionnement est elle - même proche de cette plage (par exemple près du compartiment moteur ou à l'intérieur de l'électronique de haute puissance), le matériau peut subir une récupération de forme lorsque cela n'est pas souhaité. À ce stade, vous devez choisir un système de mémoire de forme qui déclenche une température plus élevée ou passer à des méthodes de stimulation non thermiques telles que la contrainte, les champs électriques, etc. Les supermatériaux reconfigurables basés sur une structure en Origami découpé permettent une commutation de forme par étirage mécanique, une absorption ultra large bande dans la gamme 2,7 - 15,6 GHz et une stabilité des propriétés électromagnétiques avec un angle d'incidence accru. Ce type de schéma de déclenchement mécanique est plus applicable dans les scénarios sensibles à la température.
Couverture de la plage réglable par rapport à la bande cible
La valeur fondamentale des matériaux absorbants réglables réside dans la couverture de plusieurs bandes de fréquences avec un seul schéma de matériaux. Le choix du type doit confirmer que la couverture de la bande d'absorption du matériau avant et après reconstitution de la forme couvre intégralement toutes les bandes de fonctionnement de l'application cible. Par exemple, si l'appareil doit basculer entre la bande C (4 - 8 GHz) et la bande Ku (12 - 18 GHz), la plage réglable du matériau doit couvrir au moins 4 - 18 GHz. Le matériau absorbant intelligent à base de vo₂ permet une modulation dynamique de la bande Ku via un changement de phase isolant - métal, avec une bande passante d'absorption effective réglable maximale atteignant 8,35 GHz, offrant une voie technique viable pour la commutation de bande large.
Stabilité cyclique et fatigue structurelle
La fonction réglable des métamatériaux imprimés en 4D repose sur la capacité de déformation répétée des polymères à mémoire de forme. Chaque cycle thermique ou mécanique accumule des microlésions dans la matrice polymère et le taux de récupération de forme peut diminuer après des centaines de cycles. Le fournisseur doit être tenu de fournir des données sur les performances d'absorption après au moins 100 cycles de mémoire de forme. Si le taux de récupération de forme est inférieur à 90%, la fiabilité de la fonction réglable du matériau en utilisation réelle sera difficile à garantir. Certains métamatériaux imprimés en 4D permettent une récupération de forme de plus de 90% en 30 secondes, ce type de caractéristique de réponse rapide présente des avantages évidents dans les applications nécessitant des changements fréquents.
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