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Materiales absorventes tradicionais têm uma suposição de engenharia implícita: a banda de frequência de absorção está bloqueada no momento da preparação do material. Os engenheiros selecionam fórmulas de material e espessuras baseadas na banda de frequência de ruído alvo, e os parâmetros eletromagnéticos dos materiais não mudam após a instalação.
Essa suposição é verdadeira na maioria dos cenários, mas pode se tornar um obstáculo em certas aplicações. Um dispositivo de comunicação que precisa mudar entre bandas de frequência múltipla, se cada banda de frequência requer um esquema de absorção independente, o peso e complexidade do sistema aumentarão significativamente. Uma aeronave que precisa manter o desempenho secreto em diferentes posições de voo não pode se adaptar às mudanças no perfil da missão com uma faixa fixa de frequência de absorção da pele.
A impressão 4D de metamateriais absorventes ajustados proporciona uma abordagem diferente: dotar o material com capacidade de memória de forma, mudar a estrutura macroscópica através de estímulos externos, e ajustar a faixa de frequência de absorção.
Reconfiguração da largura de banda motorizada pela memória de forma
O núcleo da impressão 4D é introduzir materiais inteligentes que podem responder a estímulos externos em estruturas impressas 3D. Na absorção de metamateriais, materiais inteligentes comumente usados são polímeros de memória de forma (SMP), como ácido poliláctico (PLA) ou poliuretano (PU). Esses polímeros podem ser programados em formas temporárias acima de uma temperatura específica, fixados após o refrigeração, e restaurados para sua forma original após o reciclagem.
Um trabalho representativo combina cerâmica de alta entropia (HEC) com elastomeres de memória de forma para construir carbono poroso hierárquico sustentado metamateriais de cerâmica de alta entropia através da impressão 4D. Esse material pode ser submetido a reconfiguração estrutural sob estimulação térmica leve a 120 °C, atingindo absorção ajustada na faixa de 5,24-18 GHz, mantendo perda de reflexão abaixo de -20 dB (taxa de absorção ≥ 99%). Sua largura de banda de absorção efetiva atinge 14,16 GHz (≥ 90% absorção), que é 198,88% maior que a de materiais em massa não estruturados.
O mecanismo físico da expansão da largura de banda vem da reconstrução estrutural que muda o caminho de propagação das ondas eletromagnéticas. Quando a estrutura da memória de forma retorna de uma forma temporária para sua forma original, o espaço e ângulo entre os elementos mudam, e os parâmetros eletromagnéticos equivalentes são ajustados de acordo. O esqueleto de carbono poroso hierárquico proporciona uma via de perda condutiva contínua, enquanto unidades cerâmicas de alta entropia contribuem para perda dielétrica. O efeito sinergístico dos dois mantém sempre a estabilidade da janela de coincidência de impedância durante o processo de reconstrução estrutural.
Por que a estrutura porosa hierárquica é chave
O desempenho de metamateriais absorventes ajustados é altamente dependente do design hierárquico de sua estrutura de poros internos. Uma única estrutura microporosa ou mesoporosa muitas vezes não pode satisfazer simultaneamente os requisitos de combinação de impedância e força de perda.
A pesquisa multinível de engenharia de poros de materiais de carbono derivados da MOF fornece uma referência valiosa. Usando o método de modelo de microsfera de poliestireno, uma estrutura de poros de múltiplos níveis de microporos de mesoporo de macroporos pode ser construída em carbono derivado de MOF. Macróporos fornecem canais de baixa impedância para ondas eletromagnéticas entrarem no interior de materiais, mesóperos aumentam a área de contato entre ondas eletromagnéticas e paredes materiais, e microporos aumentam a perda dielétrica através da polarização defeituosa e polarização da interface. Este projeto de poros multiníveis permite ao material alcançar uma absorção efetiva de ondas eletromagnéticas com quantidades extremamente baixas de preenchimento.
Outra função da estrutura hierárquica de poros em metamateriais impressos em 4D é proporcionar espaço para reconstrução de forma. Quando os polímeros de memória de forma sofrem deformação, a estrutura porosa permite movimento relativo entre unidades sem acumulação significativa de estresse interno. Se o material é denso, o estresse necessário para a reconstrução de forma pode exceder a for ça da matriz de polímeros, levando a cracking estrutural. Poros de vários níveis proporcionam um "espaço de tampão" para deformação, permitindo manter funcionalidade ajustada mesmo após ciclos térmicos repetidos.
Três julgamentos na seleção de engenharia
Para cenários de aplicação que requerem ajuste dinâmico das faixas de frequência de absorção, a seleção de metamateriais absorventes reguladores impressos em 4D pode ser expandida das seguintes dimensões.
Coincidir métodos de estimulação com o ambiente de trabalho
A estimulação térmica é atualmente o método de desencadeamento mais maduro, com uma temperatura de recuperação de forma tipicamente em torno de 120 °C. Para cenários em que a temperatura do ambiente de trabalho já está próxima dessa gama (como perto do compartimento do motor ou dentro de dispositivos eletrônicos de alta potência), os materiais podem ser submetidos à recuperação de forma inesperadamente. Neste ponto, deve ser escolhido um sistema de memória de forma com uma temperatura de desencadeamento maior, ou métodos de estimulação não térmica como tensão e campo elétrico devem ser utilizados em vez disso. Metamateriais riconfiguráveis baseados na estrutura origami de cortes de papel alcançam mudança de forma através de estiramento mecânico, alcançam absorção de banda ultra larga na faixa de 2,7-15,6 GHz, e o desempenho eletromagnético permanece estável à medida que o ângulo de incidente aumenta. Este tipo de esquema de desencadeamento mecânico é mais aplicável em cenários sensíveis à temperatura.
Rango ajustador e cobertura da banda de frequência alvo
O valor central dos materiais absorventes ajustados é cobrir múltiplas faixas de frequência com um único esquema de materiais. Ao selecionar, deve ser confirmado se a cobertura da banda de frequência de absorção do material antes e após a reconstrução do formato cobre completamente todas as bandas de frequência de funcionamento da aplicação alvo. Por exemplo, se o dispositivo precisa mudar entre a banda C (4-8 GHz) e a banda Ku (12-18 GHz), o intervalo ajustador do material deve cobrir pelo menos 4-18 GHz. VO[UNK] - materiais inteligentes absorventes baseados alcançam modulação dinâmica na band a Ku através da transição de fase de metal isolador, com uma faixa de largura de banda de absorção efetiva máxima ajustada de 8,35 GHz, proporcionando um caminho técnico viable para a mudança de banda de frequência de larga distância.
Estabilidade do ciclo e fadiga estrutural
A função ajustada dos metamateriais impressos em 4D depende da capacidade de deformação repetida dos polímeros de memória de forma. Cada ciclo térmico ou mecânico acumula microdanos na matriz de polímeros, e a taxa de recuperação de forma pode diminuir após centenas de ciclos. Ao selecionar, os fornecedores devem ser obrigados a fornecer dados de desempenho de absorção após pelo menos 100 ciclos de memória de forma. Se a taxa de recuperação da forma for inferior a 90%, será difícil garantir a confiabilidade da função ajustada do material em uso prático. Alguns metamateriais impressos em 4D podem alcançar mais de 90% recuperação de forma em 30 segundos, o que tem vantagens significativas em aplicações que requerem mudança frequente devido às suas características de resposta rápida.
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