《Chemical Engineering Journal》：Structured wave-transparent metamaterials for simultaneous broadband electromagnetic and acoustic absorption
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本文提出了一种异质结构 metamaterial，通过设计波透明层和损耗多层金字塔基，实现了电磁波（2.8-40 GHz）和声波（500-3000 Hz）的宽频吸收。实验表明，电磁反射低于-10 dB，声学吸收系数平均0.84，为环境治理和隐身技术提供了创新解决方案。
张同同|梁青轩|段玉冰|严欣|任傲奇|冯佳明|李迪辰
西安交通大学制造系统工程国家重点实验室，中国西安市咸宁西路28号，710049
摘要
控制电磁辐射和声学噪声对于环境缓解和隐身相关工程系统日益重要；然而，在紧凑且可制造的架构中集成这两种波型的宽带吸收仍然具有挑战性。本文提出了一种异质超材料架构，其中一种结构化的透波层在实现电磁波和声波的同时吸收方面起着核心作用。该透波层经过几何设计，形成了单颈和双颈声学谐振器，同时增强了低频微波的吸收能力，而损耗性的多层金字塔基底则提供了渐变阻抗匹配和多尺度声学腔体。这种双材料设计有效地分离了声波和电磁波的吸收机制，提供了高度的功能设计灵活性。实验表明，该材料在2.8至40 GHz范围内实现了低于-10 dB的宽带电磁吸收，在该频段的91%区域内吸收率低于-15 dB，并且在500–3000 Hz范围内平均声学吸收系数为0.84。这种策略为污染控制和隐身应用提供了一种创新解决方案，通过同时吸收声波和电磁波，为综合环境管理和先进隐身技术铺平了道路。
引言
随着5G技术和现代工业化的推进，电磁波辐射污染和噪声变得越来越普遍，对易受影响的人群和敏感设备构成了更大的威胁[1]、[2]、[3]。开发适合物理波的吸收器是解决这些问题的重要方法。传统的电磁波吸收方法主要涉及吸收涂层或吸收结构[4]、[5]、[6]、[7]；对于声波吸收，通常使用多孔材料或共振吸收结构[9]、[10]、[11]、[12]。这些解决方案分别吸收声波和电磁波，但在厚度和重量方面往往存在局限性[13]、[14]、[15]。由于在同一环境中经常需要同时吸收这两种波[16]、[17]，将双重功能集成到单一结构中不仅提供了全面的保护，还节省了宝贵的空间。
目前针对多种波型的多功能吸收器的研究主要依赖于利用材料的内在属性[18]、[19]。具有电磁损耗的多孔结构可以通过互连的曲折通道中的压力变化来分散声波，从而实现双重功能吸收[20]。另一方面，电磁损耗主要通过嵌入材料中的导电纤维和磁性填料来实现[21]。用电磁损耗材料制造空心微球可以同时实现声波和微波的穿透和吸收，从而产生多次波反射[22]。碳纤维薄膜由于其电学性能、低重量和机械强度，是吸收材料的有希望的候选者。然而，典型等级的碳纤维具有很强的导电性，常常在界面处引起显著的电磁波反射，因此需要添加损耗性磁性填料以实现与空气的阻抗匹配[23]。然后，将成型的纤维薄膜卷曲以适应电磁波和声波吸收所需的不同频率范围[24]。使用这些材料实现双重功能吸收通常灵活性有限，并且需要严格的材料标准。
超材料是具有非自然特性的亚波长结构[25]、[26]、[27]、[28]，为吸收声波和电磁波提供了一种可设计的方法[29]、[30]。LI等人设计了一种基于石墨烯的超材料结构，用高导电材料替换了隔音结构的面板，实现了声波和电磁波的屏蔽[31]。Zhou等人提出了一种由铜电路板底层和聚二甲基硅氧烷制成的多层泡沫上层组成的结构，实现了水下声波和电磁波的吸收[32]。Gao等人在金属贴片上放置了一种多孔介质，利用该介质的透波特性实现了宽带声波吸收，同时不牺牲贴片的电磁波吸收性能[33]。设计构成声学结构的壁形状和材料是结合多种功能的有效手段[34]。然而，目前缺乏同时集成声波和电磁波宽带吸收的超材料设计，这也需要结合这两种波的共同特性以实现有效的空间利用。熔融沉积建模（FDM）是一种材料挤出增材制造工艺，它逐层沉积熔融原料；通过顺序打印具有不同功能特性的复合材料，可以实现复杂异质超材料架构的制造，并为多材料超材料提供了有效途径[23]、[35]。
本研究介绍了一种双材料超材料，旨在实现电磁波和声波的宽带吸收，如图1(a)所示。超材料的顶层是由玻璃纤维（GF）和聚醚醚酮（PEEK）基体制成的复合材料，而底层是由片状羰基铁粉末（FCIP）/PEEK复合材料制成的，如图1(b)所示。这些材料的独特结构有效地分离了声波和电磁波，为每个功能层提供了很大的设计灵活性。从电磁（EM）透明的顶层，经过渐变的损耗性晶格，到底部的金字塔基底，沿厚度方向建立了阻抗梯度，实现了宽带电磁吸收。金字塔上不同位置的腔体为声波提供了不同体积的谐振器，而EM透明材料用于构建双层或单层插入管，不会影响电磁波的吸收。适当选择的结构参数确保了宽带声波吸收。此外，实验验证了所设计超材料的双重声学-电磁功能，包括对大角度斜入射电磁波的强吸收。这项工作为实现声波和电磁波兼容吸收的超材料提供了一种有效的新范式。
材料
片状羰基铁粉末（FCIP）具有高磁导率和良好的填充性，使其成为吸收波的优秀材料。这种直径为5–10 μm的片状羰基铁粉末由中国陕西兴华有限公司提供。玻璃纤维（GF）以其低介电常数和低损耗而闻名，通常用作透波材料；当其切碎后作为混合相使用时，可以增强复合材料的机械性能。
超材料的设计及双重功能损耗原理
超材料对电磁波和声波的吸收行为由其组成材料的内在属性和单元格的几何配置决定。通过合理设计特定于材料的结构几何形状，可以实现有效的双重功能解耦。所设计的双材料超材料由GF-PEEK复合材料作为顶层透波结构，以及FCIP-PEEK复合材料组成
结论
总之，基于电磁波和声波的损耗机制，我们设计了一种能够同时吸收声波和电磁波的双材料超材料。该超材料采用熔融沉积3D打印技术制造，由GF-PEEK透波结构层和FCIP-PEEK损耗结构层组成，其双重功能吸收性能得到了全面评估。
作者贡献声明
张同同：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，监督，方法论，概念化。梁青轩：撰写 – 审稿与编辑，可视化，资金获取。段玉冰：监督，概念化。严欣：方法论，研究。任傲奇：验证，正式分析。冯佳明：撰写 – 审稿与编辑，监督。李迪辰：监督，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了陕西省杰出青年科学基金项目（项目编号：2025JC-JCQN-035）的支持。
