微波吸收資料的“鋼鐵直男”之痛
微波吸收資料具有微波隱身特性，在軍事領域用途廣泛。傳統的微波吸收資料屬於“鋼鐵直男”，通常由三層組成：第一層為週期性排列圖案的導電層（ECP），中間夾著一層介電層，最下麵又是一層導電層（PEC），為了保持結構穩定性，介電層往往選擇剛性資料。但是，太剛的資料就缺乏柔性和可拉伸性，無法用於非平面結構的微波隱身。
雖然微波吸收資料柔性化方面進行了廣泛探索，但多數研究要麼以犧牲微波吸收性為代價，要麼剛性降低的太嚴重而缺乏實用性。
向穿山甲學習剛柔相濟
經過數十億年的進化，自然界的生命體已經擁有了各自的獨門絕技來適應生存環境，穿山甲堅硬的鱗片就是它安身立命的根本。堅硬的鱗片相互交疊在一起，但交接處的關節又有相當大的靈活性，這種剛柔相濟的結構可以很好的保護穿山甲。
受到穿山甲鱗片連接管道的啟發，南洋理工大學陳曉東教授團隊用ECP和PDMS複刻了穿山甲的鱗片結構，製備出了一種可拉伸的微波吸收資料PIMS。受益於剛柔相濟的結構，PIMS的面外壓痕破壞力至少比傳統資料提高了5倍。將PIMS共形粘貼在球面上，PIMS結構的雷達散射截面（RCS）降低到20.2 dB，比傳統資料提高了6.3 dB；對於鞍形表面，PIMS降低10 dB RCS的頻寬為9 GHz，比傳統資料提高了83%。
既柔又剛的微波吸收資料
圖1.PIMS的製備示意圖。
為了複刻穿山甲的鱗片結構，研究者首先需要製備剛性的“鱗片”，即最外層圖案化的ECP。他們首先將SU-8光刻膠刻在尼龍親水膜上，作為下一步的掩膜，隨後通過真空過濾將單壁碳納米管（SWCNT）沉積到掩膜上形成了ECP（圖1a）。
圖2.PIMS的仿生結構和可拉伸性。
研究者將四個ECP單元轉印到聚醯亞胺（PI）薄膜上，形成一個高性能電磁耗散結構單元（EMD-scale，如圖1b所示），每個結構單元又與周圍的八個單元交疊，以正方形晶格的形式拼接在柔性PDMS上，形成了PIMS（圖2a）。PDMS賦予了整個結構可拉伸性（圖2b），當PIMS被拉伸時，剛性的EMD-scale隨著PDMS移動（圖2c），保持了ECP幾何尺寸和電導率不變，確保了穩定的微波吸收能力（圖2d）。
隨著SWCNT濾液濃度的變化，EMD-scale的薄層電阻從每平方幾歐姆到幾百歐姆不等，可以輕鬆調節其效能（圖1c）。
剛柔相濟更抗壓
圖3.PIMS的力學、微波吸收效能。
研究者對比了PIMS與另外三種不同結構資料的力學性能，其中Con-I為直接將ECP轉印到PDMS上，Con-II是在PDMS上覆蓋一層連續EMD-scale，Con-III是在PDMS上覆蓋一層尺寸受限的EMD-scale，發現覆蓋EMD-scale後顯著提高了抗壓強度，Con-I為47±1.1 N，Con-II為58±3.4 N，ConIII為72±11 N，PIMS則達到了131±23 N（圖3d）。無論是採用不同半徑的球形壓頭還是扁平壓頭，PIMS的抗壓能力依然最大（圖3e-g）。
隨後，研究者又研究了PIMS的微波吸收效能，對於正常入射條件下無應變狀態的PIMS，-10 dB反射率的頻譜覆蓋了[8，18]GHz的範圍，即使經過4000次彎曲變形，仍然表現出良好的微波吸收能力。對於橫電模式（TE），當入射角小於30°時，-10 dB反射率的頻寬幾乎沒有變化，而當入射大於30°時，頻寬迅速下降（圖3h）；對於橫磁模式（TM），隨著入射角的增大，-10 dB反射率頻率區間的下限逐漸增大，而上限保持穩定。
與傳統資料相比，PIMS微波吸收能力的衰减要慢得多，這是因為在施加拉伸應變時，EMD-scale作為剛性體隨著PDMS移動，使得ECP的幾何尺寸和導電性保持穩定所致。
剛柔相濟讓曲面更加微波隱身
圖4.共形應用於曲面結構時PIMS的機械效能和微波吸收能力。
由於PIMS的可拉伸特性，研究者將其共形應用於曲面結構上，由於非平面特徵，不同位置產生的應變不同，球頂應變超過10%，最大極限應變超過40%（圖4f）；鞍形表面的應變不均勻性更大，邊界區域也超過了10%（圖4g），傳統微波吸收資料望塵莫及，而PIMS則可以完美適應。
通過微波吸收性能測試發現，PIMS和Con-I在[8,18]GHz的整個頻譜範圍內RCS顯著降低（圖4h，i）；對於球形結構，PIMS最大RCS降低到20.2 dB，比Con-I降低6.3 dB；對於鞍形結構，PIMS降低10 dB RCS的頻寬比Con-I提高了4 GHz，表現出更好的微波吸收效能，這種優勢與ECP和PDMS剛柔相濟的結構密不可分。
小結
受到穿山甲靈活連接剛性鱗片的啟發，研究者利用光刻和真空過濾科技將柔性的PDMS和剛性的ECP結合在一起，製造了一種可拉伸的微波吸收資料PIMS。發現將ECP圖案化再與PDMS結合後，抗壓強度從47±1.1 N新增到了131±23 N。憑藉可拉伸特徵，研究者將其共形於球形表面，發現PIMS結構的RCS降低到了20.2 dB，比傳統資料提高了6.3 dB；對於鞍形表面，PIMS降低10 dB RCS的頻寬達到9 GHz，比傳統資料提高了83%。
原文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102131
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