焦馨宇 張富勇 劉元軍 趙曉明

DOI： 10.19398/j.att.202310021

摘? 要：傳統(tǒng)的電磁超材料通常具有剛性結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用受到一定限制，無法滿足當(dāng)前市場需求，因此質(zhì)輕、吸收強(qiáng)、吸收頻帶寬的柔性電磁超材料吸波體的開發(fā)利用成為重要的發(fā)展方向。文章從柔性電磁超材料吸波體結(jié)構(gòu)出發(fā)，概括了基于3層結(jié)構(gòu)的柔性電磁超材料吸波體的最新研究，討論了基于3層以上結(jié)構(gòu)的柔性電磁超材料吸波體的研究現(xiàn)狀，介紹了三維立體結(jié)構(gòu)的柔性電磁超材料吸波體的研究進(jìn)展，并展望了柔性電磁超材料吸波體未來的發(fā)展方向。柔性電磁超材料吸波體在電磁波防護(hù)方面具有巨大的潛力，未來將在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超材料；吸波材料；柔性材料；電磁防護(hù)

中圖分類號(hào)：TS102. 4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2024）06-0116-13

收稿日期：20231026

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20240227

基金項(xiàng)目：中國工程院咨詢研究項(xiàng)目（2021DFZD1）；天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目創(chuàng)新平臺(tái)專項(xiàng)（17PTSYJC00150）

作者簡介：焦馨宇（1999—），女，內(nèi)蒙古烏蘭察布市人，碩士研究生，主要從事防護(hù)紡織品方面的研究。

通信作者：劉元軍，E-mail：liuyuanjunsd@163.com

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電磁波的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域?yàn)槿祟惖姆睒s進(jìn)步作出了不可替代的巨大貢獻(xiàn)［1］。但大量電磁波所產(chǎn)生的強(qiáng)烈的電磁輻射，會(huì)對人體和環(huán)境造成一定的危害；另外，軍事設(shè)備所發(fā)射的電磁波信號(hào)可能引發(fā)信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)［2］。因此，人們對設(shè)備或人員進(jìn)行電磁防護(hù)的需求日益迫切，各種吸波材料的研發(fā)方法成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)吸波材料存在吸收頻帶窄、柔性差等問題，因而其應(yīng)用受到一定限制［3］。超材料具有超常物理性能和人工復(fù)合結(jié)構(gòu)。超材料重要的應(yīng)用之一是超材料吸波體。研究人員通過較強(qiáng)的人工干預(yù)對超材料吸波體的周期性結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可使其能夠應(yīng)用于不同電磁波頻段［4］。通過設(shè)計(jì)超材料吸波體的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，該材料可擁有常規(guī)材料所不具備的出色吸波性能。其原理在于材料內(nèi)存在一系列特定排列的開口諧振環(huán)，可以將傳入的電磁波以諧振的方式衰減吸收，從而實(shí)現(xiàn)其超常的吸波效果［5-6］。

近十年來，研究人員已設(shè)計(jì)出多種基于金屬亞波長結(jié)構(gòu)的電磁吸波體，其中金屬結(jié)構(gòu)的超材料吸波體具備優(yōu)異的光捕獲能力［7］。由于等離子體或光子模式的多功能性，電磁吸波體的機(jī)制呈現(xiàn)多樣性［8］。在不同的應(yīng)用場景中，通常需要采用不同的設(shè)計(jì)方案，以滿足特定的要求。為實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)要求，可以利用具有特定幾何形狀諧振器的電磁吸波體［9］。目前，超材料通常采用周期性陣列組成的諧振超材料，其中包含電感電容諧振器、導(dǎo)線、單元胞［10］。

傳統(tǒng)的電磁超材料通常采用厚而剛性的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通常適用于微波頻段的高頻范圍［11］。隨著電磁超材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，制備柔性電磁超材料吸波體的需求變得尤為重要［12］。常見的用于制作柔性層的介質(zhì)材料有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亞胺（PI）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚丙烯（PP）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）和苯丙環(huán)丁烯（BCB）［13-14］。若將與物體表面共形的介質(zhì)作為吸波體的中間介質(zhì)層，則可以將吸波體彎曲覆蓋在非平面的物體上，從而擴(kuò)展超材料吸波體的應(yīng)用范圍。超材料吸波體的吸波性能受很多因素影響，如吸波體的結(jié)構(gòu)、諧振層單元的幾何形狀、尺寸大小、排列組合方式、電磁波的極化方式和入射角度等［15-16］。

本文考察近年來關(guān)于柔性超材料吸波體結(jié)構(gòu)的國內(nèi)外研究情況，首先詳細(xì)介紹基于3層結(jié)構(gòu)的柔性超材料吸波體的研究現(xiàn)狀，其次簡要論述基于3層以上結(jié)構(gòu)的柔性超材料吸波體的研究進(jìn)展，然后簡要闡述三維立體結(jié)構(gòu)的柔性超材料吸波體的最新研究，最后展望柔性電磁超材料吸波體未來的發(fā)展方向。通過對不同結(jié)構(gòu)柔性電磁超材料吸波體進(jìn)行總結(jié)，為電磁防護(hù)材料發(fā)展提供研究思路，推進(jìn)柔性電磁超材料吸波體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化研究，促進(jìn)該材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1? 基于3層結(jié)構(gòu)的柔性電磁超材料吸波體

本節(jié)通過闡述不同材料組成的基于3層結(jié)構(gòu)的柔性電磁超材料吸波體，深入挖掘其在電磁波吸收性能的潛力，從而為超材料吸波體的創(chuàng)新應(yīng)用提供更多可能性［17］。

1.1? 基于金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的柔性電磁超材料吸波體

傳統(tǒng)超材料結(jié)構(gòu)由3層組成，一般為金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)。其中，頂層是金屬圖案層，用于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，以增強(qiáng)入射電磁波；中間層是介質(zhì)層，主要通過吸收形式來衰減電磁波；底層是金屬背板，用來阻擋透射波［18］。

Yahiaoui等［19］設(shè)計(jì)了一種多波段超薄、高度靈活的超材料吸波體。該材料頂層是內(nèi)部切割線和外部雙間隙開口諧振環(huán)組成的平面鋁制金屬諧振器，中間介質(zhì)層是聚酰亞胺薄膜，底層為鋁制薄板。該研究表明：該吸收體能夠有效地將電磁波引導(dǎo)至法布里-珀羅諧振腔中。諧振腔因結(jié)構(gòu)層之間發(fā)生的多次反射導(dǎo)致相長干涉，從而使吸波體能夠?qū)崿F(xiàn)高效吸收。在傳感設(shè)備的預(yù)處理過程中該吸波體表現(xiàn)出較高的靈敏度，實(shí)現(xiàn)最大頻率靈敏度為每個(gè)折射率單元約19.20 GHz。

Shan等［20］設(shè)計(jì)了一種基于方形諧振環(huán)的超薄柔性雙波段太赫茲吸波體。該材料具有兩個(gè)不對稱間隙和一個(gè)金屬背板，如圖1（a）所示。柔性超材料吸波體頂層是厚度為0.2 mm的鋁制圖案陣列，由傳統(tǒng)的光刻制作，中間介電層使用薄柔性PI薄膜，底層是0.2 mm厚鋁薄膜。該研究表明：在頻率0.41 THz和0.75 THz時(shí)，該吸波體兩個(gè)諧振頻的吸收率分別為92.2%和97.4%。

Wang等［21］設(shè)計(jì)了一種靈活的雙波段MM吸波體，其結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。該吸波體頂層是單個(gè)T形銅貼片的周期性陣列共振結(jié)構(gòu)，中間介質(zhì)層是柔性PI，底部是連續(xù)銅平面。該研究表明：該MM吸波體在16.77 GHz和30.92 GHz處有兩個(gè)明顯的吸收峰，吸收率分別為98.7%和99.3%；MM吸波體的厚度為0.2403 mm，諧振頻率為16.77 GHz和30.92 GHz時(shí)，其厚度僅為波長的1/74和1/40。陳哲耕［22］設(shè)計(jì)了一款具有螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)的新型柔性超材料吸波體，其結(jié)構(gòu)單元如圖1（c）所示。該材料頂層是表面鋁制金屬諧振器，這種諧振器由傳統(tǒng)光刻技術(shù)制備的螺旋環(huán)組成，中間介質(zhì)層是PI薄膜，底層是鋁制金屬板。該研究表明：該螺旋環(huán)超材料的低頻響應(yīng)頻率在1.624 THz，半峰寬為330 GHz；高頻響應(yīng)在2.634 THz，半峰寬為250 GHz。同時(shí)，陳哲耕［22］還設(shè)計(jì)了一種柔性THz柔性超材料吸波體，頂層金屬諧振器是鋁制正方形，中間介質(zhì)層是PI薄膜，底層是連續(xù)金屬膜。該研究表明：柔性THz超材料表面方形諧振器通過掩膜技術(shù)制備，優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)，使其更規(guī)則、邊緣更整齊，以實(shí)現(xiàn)更佳的效果。

由上述研究可知，柔性吸波體在特定頻率值處表現(xiàn)出色，各種吸波體可以實(shí)現(xiàn)微波頻率或太赫茲頻率的吸收，相同吸波體在不同條件下可以在微波頻率和太赫茲頻率均實(shí)現(xiàn)電磁吸收。然而，這些吸波體僅在特定頻率上具有吸收效果，存在一定的局限性。為了克服這一問題，研究人員綜合考慮了材料特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電磁波理論等多個(gè)因素，成功制備了具有廣泛頻率范圍內(nèi)高效吸收性能的柔性吸波體。

Ju等［23］設(shè)計(jì)了一種新型的島形結(jié)構(gòu)寬帶超材料吸波體，其結(jié)構(gòu)單元如圖1（d）所示。該吸波體頂層包含4個(gè)大小相同、底座高度不同的鉻制金屬分裂環(huán)，中間介質(zhì)層是PI，底層是鋁金屬板。該研究表明，在1.82～3.70 THz頻率范圍內(nèi)，該吸波體吸收率大于98%。通過在吸波體上堆疊新穎的島形結(jié)構(gòu)，可以在寬頻附近精確地增加一個(gè)新的峰值，從而提高了帶寬。楊鵬等［24］設(shè)計(jì)并加工了一種超薄柔性透射型吸波體，該吸波體結(jié)構(gòu)頂層是兩條平行放置的尺寸不同的銅質(zhì)金屬線，中間介質(zhì)層是PTFE，底層是金屬光柵。該吸波體可實(shí)現(xiàn)柔性彎曲，易實(shí)現(xiàn)與曲面目標(biāo)共形。該吸波體對一種極化的入射波實(shí)現(xiàn)高效吸收，而對另一種極化的入射波實(shí)現(xiàn)高效透射，并且兩個(gè)吸收頻點(diǎn)可分別獨(dú)立調(diào)節(jié)。該研究表明：島形吸波體對橫電波在5.00 GHz和7.00 GHz的吸收分別達(dá)到97.5%和96.0%，對橫磁波在3.00～6.50 GHz透射率都能達(dá)到90%以上；當(dāng)電磁波的入射角增大到60°時(shí)，該吸波體的性能基本不受影響，表現(xiàn)出良好的廣角特性。Mohanty等［25］設(shè)計(jì)了一種花瓣形結(jié)構(gòu)的新型超材料吸波體。該新型太赫茲頻率寬帶超材料吸波體單元結(jié)構(gòu)頂層是花瓣形狀的金屬圖案層，中間層是介電層或介電隔層，底層為金屬層。該研究表明：在2.60～3.50 THz頻率范圍內(nèi)，該吸波體寬帶吸收率大于90%。

表1展示了基于金屬-PI-金屬結(jié)構(gòu)的柔性電磁超材料吸波體的吸波頻率及吸收率。由表1可知：金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)超材料吸波體中，PI是柔性電磁超材料吸波體中常見的柔性介質(zhì)；多數(shù)柔性超材料吸波體與傳統(tǒng)吸波材料相比可實(shí)現(xiàn)太赫茲頻率范圍內(nèi)對電磁波的有效吸收，且吸收率均大于90%。當(dāng)吸波體采用相同結(jié)構(gòu)組成但諧振器的圖案不同時(shí)，有效的吸收頻率也不同。未來的研究可以側(cè)重于優(yōu)化柔性超材料吸波體的諧振器圖案設(shè)計(jì)，以調(diào)整和擴(kuò)展其有效吸收頻率。

1.2? 基于ITO-介質(zhì)-ITO結(jié)構(gòu)的柔性電磁超材料吸波體

氧化銦錫（ITO）是一種透明導(dǎo)電氧化物，具有高透明度，在可見光和紅外光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)尤其出色。由于其卓越的電導(dǎo)性，人們將ITO作為導(dǎo)電層廣泛應(yīng)用于各種電子器件中。同時(shí)，通過調(diào)整氧化條件可以改變ITO的電學(xué)性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對電阻率的精確控制，因此其能夠適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求［26］。相對于傳統(tǒng)金屬而言，ITO表現(xiàn)出更為優(yōu)越的阻抗匹配性，因此研究人員將柔性電磁超材料的頂層的金屬諧振器和底層金屬換為ITO材料，通過與外部電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，ITO為電磁波的吸收提供了更為有效的路徑［27］。

吳楊慧等［28］設(shè)計(jì)了一款I(lǐng)TO-PET-ITO的光學(xué)透明吸波體，其結(jié)構(gòu)如圖1（e）所示。該吸波體頂層是ITO諧振結(jié)構(gòu)，中間是PET介質(zhì)層，底層是ITO，單元結(jié)構(gòu)周期重復(fù)排布，覆蓋整個(gè)樣品表面。頂層ITO諧振結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，由一個(gè)開口環(huán)和一個(gè)疊加方塊結(jié)構(gòu)組合而成。該研究表明：在2.00～5.20 GHz頻率范圍，該吸波體吸收率大于85%，電磁波吸收效率較高。

王連勝等［29］設(shè)計(jì)了一種柔性光學(xué)透明超材料吸波體，其結(jié)構(gòu)單元如圖1（f）所示。該吸波體頂層是ITO導(dǎo)電薄膜同心圓環(huán)、中間介質(zhì)層是柔性好且透光率較高的PDMS介質(zhì)，底層是ITO導(dǎo)電薄膜基底。該研究表明：該吸波體在74.00～78.00 GHz范圍內(nèi)的吸收率大于90%，中心頻率77.00 GHz處的吸收率達(dá)到了98%，實(shí)現(xiàn)了對車載毫米波雷達(dá)77.00 GHz頻段信號(hào)的良好電磁屏蔽。

王蒙軍等［30］設(shè)計(jì)了一款柔性寬帶超材料吸波體，其結(jié)構(gòu)單元如圖1（g）所示。該超材料由頂層的ITO、中間的PET介質(zhì)層以及底層的ITO組成。該研究表明：在10.00～21.70 GHz頻率范圍內(nèi)該吸波體的吸收率大于90%，相對帶寬為73.8%，實(shí)現(xiàn)了寬頻微波吸收，同時(shí)該吸波體具有柔性和透明的特點(diǎn)。該超材料吸波體由于周期單元為旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，具有極化不敏感和寬入射角吸收特性。

基于ITO-介質(zhì)-ITO結(jié)構(gòu)的柔性電磁超材料吸波體結(jié)構(gòu)中ITO-PET-ITO與ITO-PDMS-ITO制備方式較多，但其對電磁波的吸收頻率范圍有限。通過增加柔性超材料吸波體層次并引入其他類型的材料或結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)阻抗優(yōu)化、拓寬吸收頻帶，并提高材料的吸波性能［31-32］。

1.3? 基于其他材料的三層結(jié)構(gòu)柔性電磁超材料吸波體

王威［33］設(shè)計(jì)了一款具有柔性基底的超材料吸波體，其結(jié)構(gòu)單元如圖2（a）所示。該結(jié)構(gòu)由3層組成，頂層是2階分形曲線圖形的諧振器，中間介質(zhì)層是柔性的PTFE基板，底層為金屬底板。基于上述結(jié)構(gòu)，通過采用兩個(gè)分形曲線內(nèi)外嵌套的方式設(shè)計(jì)了表面的諧振單元，以實(shí)現(xiàn)增加吸波體的吸收頻點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)雙頻吸收的目標(biāo)。單頻吸波體表面諧振單元結(jié)構(gòu)尺寸為12.6 mm×12.6 mm，雙頻吸波體表面諧振單元為內(nèi)外相嵌的雙2階分形曲線。該研究表明：這種吸波體在1.668 GHz和2.000 GHz頻率時(shí)可實(shí)現(xiàn)完美吸波效果；在1.668 GHz頻率處，能量損耗主要集中在外側(cè)分形曲線上；而在2.000 GHz頻率處，能量損耗主要集中在內(nèi)側(cè)分形曲線上。

Chen等［34］提出了一種三層結(jié)構(gòu)可調(diào)諧超材料吸波體。該吸波體在THz頻段具有寬帶吸波特性，頂層是單層周期性石墨烯諧振器，具有非常典型的非鏡像對稱性，中間介質(zhì)層是PDMS，底層是連續(xù)金屬層。該研究表明：當(dāng)Ef為0.8 eV時(shí)，該吸波體的相對帶寬達(dá)到最大值72.1%，即吸收率大于90%。這表明該吸波體在廣泛的頻率范圍內(nèi)能夠高效吸收太赫茲波段輻射，并且對于TE波和TM波都具有廣泛的接受角度。該研究探討了利用石墨烯基吸波體實(shí)現(xiàn)對太赫茲波段能量的高效吸收能力，以期深入了解該材料在吸波應(yīng)用中的潛在優(yōu)勢和性能，特別是其不僅能夠在寬頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)太赫茲波段的振幅，而且可能還具有在空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同程度振幅調(diào)節(jié)和衰減的功能。

Yang等［35］設(shè)計(jì)了一種基于刺繡的柔性超材料吸波體。該超材料吸波體如圖2（b）所示由刺繡表面附加化學(xué)加固材料（Functional silicate solution，F(xiàn)SS）、水肺針織織物和金屬織物組成。材料頂層FSS選擇了具有可設(shè)計(jì)諧振頻率的方形環(huán)作為導(dǎo)電圖案單元，F(xiàn)SS下方的中間介質(zhì)層是厚度為1.30 mm的水肺針織織物，底層是厚度為0.30 mm的棉織物。刺繡FSS和水肺針織織物之間使用一種特殊的織物膠水黏合劑（主要成分為丙烯酸酯）實(shí)現(xiàn)黏合。該研究表明：在2.39 GHz頻率時(shí)，當(dāng)該吸波體的刺繡FSS繡距值為0.70 mm時(shí)，吸收率峰值高達(dá)99%。該吸波體將刺繡運(yùn)用于超材料吸波體，這對于柔性材料領(lǐng)域具有突破性進(jìn)展，同時(shí)織物相比于其余介質(zhì)成本低且易獲取。

曹旭有［36］設(shè)計(jì)了一種矩形柔性寬頻吸波體。該吸波材料結(jié)構(gòu)頂層使用無介電性能的導(dǎo)電金屬纖維紗線，通過編織或針織工藝搭接成矩形網(wǎng)，中間層為介質(zhì)涂層，底層反射層是鍍銅織物。該研究表明：該吸波體在4.08～11.28 GHz頻率范圍內(nèi)的吸收率均大于90%，相對吸收頻寬達(dá)到93.75%。曹旭有［36］設(shè)計(jì)了一款三角形柔性寬頻吸波材料，該材料頂層使用金屬纖維紗線搭接成三角形網(wǎng)，中間層為介質(zhì)涂層，底層反射層為鍍銅織物。該研究表明：在11.30～18.90 GHz頻率范圍內(nèi)，該吸波體諧振頻點(diǎn)為15.00 GHz，在TE波和TM波兩種模式下吸收率均大于90%，其相對頻寬為50.33%。曹旭有［36］設(shè)計(jì)了一款六邊形柔性寬頻吸波材料，該材料在前述兩種工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，頂層結(jié)構(gòu)調(diào)整為六邊形形狀，中間層為功能粒子涂層，底層為鍍金屬織物。該研究表明：該吸波體在9.60～17.84 GHz頻率范圍內(nèi)，諧振頻點(diǎn)為14.50 GHz，在TE波和TM波模式下吸收率均大于90%，其相對頻寬為60.06%。綜上，這三種柔性寬頻吸波材料的設(shè)計(jì)巧妙地融合了編織工藝與針織工藝，適用于不同頻率范圍的電磁波吸波應(yīng)用，并且在一定頻率范圍內(nèi)3種材料的吸波率均大于90%。

Yang等［37］設(shè)計(jì)了一種基于紡織品的新型柔性寬帶超材料吸波體，其結(jié)構(gòu)單元如圖2（d）所示。該吸波體頂層是4個(gè)對稱方形扣的FSS電阻膜圖案，介質(zhì)中間層是厚度為2.60 mm的潛水編織物，底層是金屬織物。與傳統(tǒng)的柔性吸波材料不同，該設(shè)計(jì)具有設(shè)計(jì)自由度高、柔性好、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。該研究表明，在8.90～15.20 GHz和11.20～24.10 GHz頻率范圍內(nèi)，該吸波體表現(xiàn)出較好的寬帶吸收率。

探索研究不同材料組合的柔性電磁超材料吸波體，旨在實(shí)現(xiàn)寬頻吸波特性，以滿足復(fù)雜電磁波環(huán)境及多頻段通信系統(tǒng)的需求。在實(shí)現(xiàn)彎曲和適應(yīng)復(fù)雜曲面的特性時(shí)，柔性吸波體對機(jī)械穩(wěn)定性的需求也隨之增加。在特定情況下，吸波體經(jīng)歷彎曲、拉伸或擠壓等形變后，可能會(huì)導(dǎo)致其性能下降或材料損傷［38-39］。

由上述研究可知，采用三層結(jié)構(gòu)的柔性電磁超材料吸波體，其構(gòu)成涵蓋了簡單的金屬-介質(zhì)-金屬、ITO-介質(zhì)-ITO以及其他不同三層材料的組合方式。影響柔性超材料吸波體吸波性能的多種因素包括柔性介質(zhì)的種類、頂層幾何圖案結(jié)構(gòu)以及各層介質(zhì)厚度等。當(dāng)三層結(jié)構(gòu)柔性電磁超材料吸波體的材料相同時(shí)，通過不斷提升超材料吸波體的其余影響因素，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑽w的吸波頻段擴(kuò)展至太赫茲范圍。

2? 基于3層以上結(jié)構(gòu)的柔性電磁超材料吸波體

在基于三層結(jié)構(gòu)的柔性電磁超材料吸波體中，單一柔性介質(zhì)無法提供足夠的柔韌度與吸波性能［40］，因此研究人員開始研究3層以上復(fù)合結(jié)構(gòu)的柔性電磁超材料吸波。隨著結(jié)構(gòu)層次的逐漸增加，柔性電磁超材料吸波體的設(shè)計(jì)靈活性得到了顯著提升，從而更有利于制備出“薄、輕、寬、強(qiáng)”的理想柔性電磁超材料吸波體。

2.1? 基于ITO的3層以上結(jié)構(gòu)柔性超材料吸波體

ITO-介質(zhì)-ITO三層柔性超材料吸波體在能量傳輸和吸波效率方面取得了顯著的提升，主要得益于ITO材料卓越的阻抗匹配性。在三層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加超材料的層次，充分利用各種材料的卓越性能，有望進(jìn)一步優(yōu)化柔性超材料吸波體的吸波性能。增加超材料吸波體中間層介質(zhì)的數(shù)量，不僅有助于提高能量傳輸效率，還能夠進(jìn)一步提升吸波效能，使柔性超材料吸波體在不同頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出更為卓越的性能［41-42］。

劉瑞［43］設(shè)計(jì)了一種超寬帶光學(xué)透明超材料吸波體，其結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。該吸波體為ITO-PET-介質(zhì)層-PET-ITO的結(jié)構(gòu)，頂層復(fù)合諧振結(jié)構(gòu)由十字形和方環(huán)交叉排列而成；中間透明介質(zhì)層為空氣、PDMS或PMMA；底層是在另一PET襯底上周期性的ITO。該研究表明：在8.00～30.30 GHz的超寬帶頻率范圍內(nèi)，該吸波體的吸收率達(dá)到90%以上，并且整個(gè)結(jié)構(gòu)在可見光范圍內(nèi)的平均光學(xué)透過率大于78%。劉瑞［43］還設(shè)計(jì)了一種多層結(jié)構(gòu)超材料吸波體，其結(jié)構(gòu)單元如圖3（b）所示。該吸波體結(jié)構(gòu)由金屬銅方環(huán)陣列諧振結(jié)構(gòu)層、環(huán)氧樹脂介質(zhì)基板、柔性的黏合層PDMS、中間金屬鋁薄層、底部連續(xù)金屬雙重方環(huán)諧振陣列層垂直堆疊組成。該研究表明：在7.80～10.30 GHz的寬頻范圍內(nèi)，多層集成吸波體的吸收率大于85%。另外，在不同極化角度和電磁波入射角度的條件下，該多層集成吸波體具有較高的吸收性能。

Min等［44］設(shè)計(jì)了一種具有光學(xué)透明性和寬帶吸收性的共形超材料吸波體，結(jié)構(gòu)如圖3（c）所示。通過采用PVC和PET等作為透明基底，超材料吸波體同時(shí)具備良好的透光率和柔韌性。該研究表明：在5.30～15.00 GHz的寬頻率范圍內(nèi)，該吸波體的吸收率能達(dá)到90%以上。在電磁波入射角分別為45°和70°時(shí)，該吸波體對TE波和TM波均能保持寬帶吸收。

劉婧雯［45］設(shè)計(jì)了一種四層結(jié)構(gòu)超材料吸波體，其結(jié)構(gòu)如圖3（d）所示。該超材料吸波體為ITO-雙介質(zhì)層-ITO結(jié)構(gòu)，中間介質(zhì)層是PDMS和PET柔性材料。該研究表明：在10.30 GHz頻率下，該吸波體的吸收率達(dá)到90%以上；在可見光波段內(nèi)，該吸波體透光率達(dá)到73%以上。

上述設(shè)計(jì)表明，柔性電磁超材料吸波體不僅在超寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高電磁吸收率，而且在可見光范圍內(nèi)保持了卓越的光學(xué)透過率。超材料吸波體因其在不同波段上兼具寬吸收率和高透過率的獨(dú)特特性，展現(xiàn)出在實(shí)際應(yīng)用中具備廣泛潛在用途的優(yōu)越性能。特別是在對透明性和寬帶吸收性能有著迫切需求的場合，這種超材料吸波體的特性顯得尤為重要。

2.2? 其他3層以上結(jié)構(gòu)的柔性超材料吸波體

王玲玲［46］設(shè)計(jì)了一種寬帶柔性吸波體，其結(jié)構(gòu)單元如圖3（e）所示。該吸波體頂層是幾何圖案為中間十字和方環(huán)疊加形成四周凸形的高阻碳漿，中間是PET層和柔性橡膠介質(zhì)板，底層是金屬銅背板。該研究表明：在6.86～19.50 GHz頻率范圍內(nèi)，該吸波體吸收率為90%以上，并且具有極化不敏感特性。然后王玲玲［46］設(shè)計(jì)了一款具有透射窗口的超材料吸波體，其結(jié)構(gòu)單元如圖3（e）所示，將上一種幾何圖案中間改為十字結(jié)構(gòu)、底層換為FSS。該研究表明：該吸波體在2.90 GHz處有一個(gè)透射窗，透射系數(shù)在0.8以上，在7.00～16.00 GHz頻率范圍內(nèi)吸收率在90%以上。

Guo等［47］設(shè)計(jì)了一種正五邊形閉環(huán)結(jié)構(gòu)三波段廣角超材料吸波材料。超材料吸波體是由正五邊形閉環(huán)的消費(fèi)后塑料（Post consumer recycling，PCR）、單層或多層超薄介質(zhì)基底和金屬周期陣列底組成。該研究表明：該吸收體在不同的共振頻率下實(shí)現(xiàn)了3個(gè)不同的吸收峰，正常入射時(shí)吸收率大于99%。PCR的靈活性在超薄基底多波段超材料吸波體的設(shè)計(jì)和制造方面發(fā)揮了重要作用。

Li等［48］設(shè)計(jì)了一種柔性MXene/FeCo薄膜吸波體，其結(jié)構(gòu)單元如圖4（a）所示。該吸波體具有單層MXene堆疊組成的連續(xù)層狀結(jié)構(gòu)。該研究表明：該吸波體在3.76 GHz時(shí)的最大反射損耗值為-43.70 dB，在10.16 GHz時(shí)的最大反射損耗值為-36.20 dB。該材料獨(dú)特的交替層狀結(jié)構(gòu)在提高吸波體衰減能力方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

Han等［49］設(shè)計(jì)了一種石墨烯基超材料吸波體，其結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示。該吸波體自上而下由周期性陣列金屬諧振器、石墨烯帶、絕緣介質(zhì)層和金屬基板緊密堆疊組成。該吸波體單元格中的級聯(lián)諧振器是由兩個(gè)不同尺寸的十字組成，兩個(gè)十字架之間有一個(gè)0.2 μm的小間隙，石墨烯放于兩個(gè)十字架下，兩個(gè)十字架之間有一個(gè)直徑為0.2 μm的小間隙。介電層的厚度為0.33 μm，由相對介電率為2的PTFE組成。該研究表明：在6.94 μm和10.68 μm處該吸波體獲得了兩個(gè)完美的吸收峰，吸收率峰值高于99%。該研究說明單層金屬石墨烯超材料吸波體在特定波長下可展現(xiàn)出卓越的吸波性能。

Wu等［50］設(shè)計(jì)了一種新型的超材料吸波體，其結(jié)構(gòu)單元如圖4（c）所示。該吸波體由圓形交叉金屬層、單層石墨烯層、MgF2層、金屬反射層和底層硅基底組成，并通過環(huán)形交叉金屬與單層石墨烯耦合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)近紅外高效吸收。該結(jié)果表明，在2121.39 nm波長處該吸波體的吸收效率達(dá)到99.98%。未來可通過更改結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)整吸波體的電磁吸收的能力，這對于提高吸收效率和選擇性具有重要意義。

Zheng等［51］設(shè)計(jì)了一種高性能電磁波超材料吸波體，其結(jié)構(gòu)單元如圖4（d）所示。由銅圖案層、第一層PI層、電阻層、第二層PI層和銅連續(xù)層這5層組成。該研究表明：該吸波體可直接用于5G技術(shù)，在（28.00±1）GHz的定制頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出高吸收性能；在26.35～31.90 GHz時(shí)吸收率大于99%，在28.00 GHz時(shí)吸收率甚至達(dá)到99.8%。

基于3層以上結(jié)構(gòu)的柔性超材料吸波體，通過層疊結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了更寬吸收頻率范圍。這種設(shè)計(jì)具有較大的設(shè)計(jì)靈活性和更強(qiáng)的共振強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)精確而廣泛的阻抗匹配，從而展現(xiàn)出寬帶吸收特性。這類材料在原料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面具備各種組合形式。通過對材料中各個(gè)參數(shù)的仔細(xì)調(diào)控，可以獲得具有不同吸波性能的超材料吸波體。這種設(shè)計(jì)靈活性不僅使得超材料吸波體能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，而且為未來的研究提供了廣闊的發(fā)展空間。

3? 基于三維立體結(jié)構(gòu)的柔性電磁超材料吸波體

目前，已研發(fā)的三維立體結(jié)構(gòu)超材料吸波體主要通過3D打印技術(shù)制造，而柔性三維立體超材料吸波體由于在設(shè)計(jì)上引入柔性材料，使得該設(shè)計(jì)展現(xiàn)出簡潔高效的特點(diǎn)，具備實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的顯著優(yōu)勢。同時(shí)，這類吸波體具備適應(yīng)各種復(fù)雜形狀和曲率表面的靈活性，在工程和設(shè)計(jì)領(lǐng)域能發(fā)揮重要作用［52-53］。

王玲玲［46］設(shè)計(jì)了一款非互易電磁超材料吸波體，三維立體結(jié)構(gòu)單元如圖4（e）所示。該吸波體由兩個(gè)相互垂直的非對稱的超材料片層構(gòu)成，其中片層1和片層2的結(jié)構(gòu)完全相同，而每個(gè)超材料片層又是由開口諧振環(huán)構(gòu)成。通過將電磁超材料吸波體的單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維立體化，在多個(gè)平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)了精確的阻抗匹配，從而顯著增強(qiáng)了在多個(gè)方向上的電磁諧振效應(yīng)。

Shen等［54］設(shè)計(jì)了一種基于水基板和金屬的三維立體結(jié)構(gòu)超材料吸波體，通過將蒸餾水填充到介電儲(chǔ)層中作為超薄水基板，然后將水基板規(guī)律排列在金屬背板上作為三維水基板陣列。該研究表明，在8.30～21.00 GHz的頻率范圍內(nèi)該吸波體的吸收率大于90%。Shen等［54］還設(shè)計(jì)了三維水基板超材料吸波體，與前者相比在水基板和介電儲(chǔ)層之間周期性地引入三角金屬魚骨結(jié)構(gòu)。該研究表明，該吸波體在2.60～16.80 GHz頻率范圍內(nèi)，相對吸收帶寬增加了64.8%。其將蒸餾水的獨(dú)特性質(zhì)與工程金屬超材料結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法，可有效拓寬電磁波吸收效率。

Zhou等［55］設(shè)計(jì)了一種基于夾層圓柱形水諧振器的柔性寬帶電磁波超材料吸波體。該吸波體從上到下由柔性熱塑性聚氨酯介質(zhì)層、帶有圓柱形熱塑性聚氨酯彈性體橡膠外殼的水基諧振器、熱塑性聚氨酯彈性體橡膠基底和ITO背板組成。該研究表明，該吸波體可實(shí)現(xiàn)4.00～40.00 GHz的低頻和高頻協(xié)同電磁波吸收。由此可見，材料中相連的水諧振器之間的電磁共振效應(yīng)加劇了電磁波的能量耗散，有效提高了超材料吸波體的寬帶吸收性能。

Shi等［56］設(shè)計(jì)了一種手性超材料吸波體，其結(jié)構(gòu)如圖4（g）所示。該吸波體仿生物手性層狀結(jié)構(gòu)由高熵合金電磁耗散單元和介質(zhì)層組成。這種手性超材料表明，耦合和去耦合效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)線極化波和圓極化波之間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。該研究表明：仿生超材料在層間介質(zhì)厚度為2 mm時(shí)，有效吸收帶寬為4.48 GHz（吸收率不小于75%，反射損耗不大于-6 dB），最小反射損耗為-53.60 dB，所以該材料具有理想的吸收性能。該研究為調(diào)控和優(yōu)化電磁波傳播提供了重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用潛力。

Chen等［57］設(shè)計(jì)了一種折紙可調(diào)頻率超材料吸波體，該材料是通過對具有特殊三維空間結(jié)構(gòu)的單層頻率選擇面進(jìn)行折疊和熨燙制造而成的。該吸波體的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其具備輕薄、柔韌、可彎曲的性質(zhì)，并具有精確的諧振頻率調(diào)節(jié)功能。通過改變狀態(tài)，可以調(diào)整電磁波與該吸波體的導(dǎo)電單元相互作用的角度，從而實(shí)現(xiàn)諧振頻率的精確調(diào)節(jié)。該研究表明，隨著折角的增大，該吸波體的等效電感減小，而等效電容增大。由于該吸波體具有輕質(zhì)、靈活和頻率可調(diào)的特點(diǎn)，可用其研究制備智能電磁功能材料。

由上可知，通過將電磁超材料吸波體的單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維立體化設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了多平面內(nèi)的阻抗匹配優(yōu)化，從而顯著增強(qiáng)了在多個(gè)方向上的電磁諧振效果［58］。因此三維立體柔性電磁超材料吸波體可高效吸收傳入的電磁輻射，從而降低反射和透射，提供更好的電磁波保護(hù)和屏蔽性能，在不同通信和雷達(dá)頻段中都具有應(yīng)用潛力［59-60］。

4? 結(jié)論與展望

通過對柔性電磁超材料吸波體進(jìn)行深入研究，研究人員可以采用多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來制備吸波體，并通過設(shè)計(jì)各層次材料來優(yōu)化和提升其電磁吸波性能。首先，基于三層結(jié)構(gòu)的超材料吸波體通過調(diào)整材料諧振器的幾何形狀、排列方式和電磁特性，可以實(shí)現(xiàn)特定頻率和性能的吸波效果。其次，基于3層以上結(jié)構(gòu)的柔性電磁超材料吸波體通過結(jié)合多層材料的電磁特性，實(shí)現(xiàn)了對不同頻率的吸波，可提供更寬的吸波頻譜。最后，基于三維立體結(jié)構(gòu)的柔性電磁超材料吸波體不僅能夠同時(shí)吸收多個(gè)頻段的電磁波，還能適應(yīng)各種表面形狀和曲率，滿足不同工程和設(shè)計(jì)需求。同時(shí)柔性電磁超材料吸波體使用中可能會(huì)經(jīng)歷彎曲、拉伸或擠壓等形變，從而導(dǎo)致性能下降或材料損傷，所以在吸波體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對復(fù)雜曲面的適應(yīng)性有很高的機(jī)械穩(wěn)定性需求。

然而，在追求柔性電磁超材料吸波體實(shí)現(xiàn)“薄、輕、寬、強(qiáng)”的研究過程中，面臨著一個(gè)物理矛盾：增加原料種類有助于優(yōu)化電磁性能，但同時(shí)也會(huì)增加材料厚度，降低機(jī)械穩(wěn)定性。通過對上述研究方向的深入探究和實(shí)際實(shí)踐，可為柔性電磁超材料吸波體的制備和應(yīng)用提供一定的思路和方法。未來柔性超材料吸波體的應(yīng)用將不斷擴(kuò)展到各個(gè)領(lǐng)域。為了制備出性能更加優(yōu)異的柔性電磁超材料吸波體，柔性超材料未來的研究及發(fā)展趨勢如下：

a） 創(chuàng)新性：研究新材料組合，實(shí)現(xiàn)更高效的吸波效果，通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，解決物理矛盾，使柔性電磁超材料吸波體更輕薄。

b） 多功能性：未來的柔性超材料吸波體將更加多功能化，通過運(yùn)用不同材料的性能，以滿足各種不同應(yīng)用的需求。

c） 自適應(yīng)性：研究著眼于開發(fā)智能柔性電磁超材料吸波體，其具備自適應(yīng)性能，能夠根據(jù)環(huán)境條件或應(yīng)用需求自動(dòng)調(diào)整其電磁性能。

d） 先進(jìn)制造技術(shù)：當(dāng)前3D打印、納米制造和納米材料合成是材料發(fā)展熱點(diǎn)，但在柔性超材料吸波體的發(fā)展上，技術(shù)仍有待提高。通過結(jié)合先進(jìn)制造技術(shù)，既可提高生產(chǎn)效率，又能降低生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)：

［1］田義宗. 電磁輻射污染對環(huán)境和人體健康的影響建模研究［J］. 環(huán)境科學(xué)與管理， 2021， 46（11）： 137-140.

TIAN Yizong. Modeling study of effects of electromagnetic radiation pollution on environment and human health［J］. Environmental Science and Management， 2021， 46（11）： 137-140.

［2］楊艷鳳， 劉元軍， 趙曉明. 摻雜劑摻雜聚吡咯復(fù)合吸波材料的研究進(jìn)展［J］. 現(xiàn)代紡織技術(shù)， 2021， 29（3）： 8-15.

YANG Yanfeng， LIU Yuanjun， ZHAO Xiaoming. Research progress of dopant-doped polypyrrole composite absorbing materials［J］. Advanced Textile Technology， 2021， 29（3）： 8-15.

［3］季惠， 張恒宇， 王妮， 等. 二維碳化物Ti3C2Tx/磁性材料復(fù)合吸波材料研究進(jìn)展［J］. 絲綢， 2021， 58（8）： 33-39.

JI Hui， ZHANG Hengyu， WANG Ni， et al. Research progress of two-dimensional carbide Ti3C2Tx/magnetic composite wave absorbing materials［J］. Journal of Silk， 2021， 58（8）： 33-39.

［4］HUANG J， GU H L， LI N， et al. Polypyrrole/Schiff base composite as electromagnetic absorbing material with high and tunable absorption performance［J］. Molecules， 2022， 27（19）： 6160-6168.

［5］金東君. 微波與太赫茲波段寬帶超材料吸波器研究［D］. 長春： 吉林大學(xué)， 2023： 1-11.

JIN Dongjun. Research on Wideband Metamaterial Absorbers in Microwave and Terahertz Frequency Bands ［D］. Changchun： Jilin University， 2023： 1-11.

［6］師甜甜， 杜立飛， 張海鋒， 等. 水基吸波超材料的研究進(jìn)展［J］. 材料導(dǎo)報(bào)， 2023， 37（18）： 54-60.

SHI Tiantian， DU Lifei， ZHANG Haifeng， et al. Research progress on water-based metamaterial absorbers［J］. Materials Reports， 2023， 37（18）： 54-60.

［7］孟真， 李廣德， 崔光振， 等. 基于超材料的紅外/雷達(dá)兼容隱身材料研究進(jìn)展［J］. 材料導(dǎo)報(bào)， 2023， 37（21）： 5-12.

MENG Zhen， LI Guangde， CUI Guangzhen， et al. Research progress of infrared/radar compatible stealth materials based on metamaterials［J］. Materials Reports， 2023， 37（21）： 5-12.

［8］HUANG Q Q， WANG G H， ZHOU M， et al. Metamaterial electromagnetic wave absorbers and devices： Design and 3D microarchitecture［J］. Journal of Materials Science & Technology， 2022， 108： 90-101.

［9］CUI Y X， HE Y R， Jin Y， et al. Plasmonic and metamaterial structures as electromagnetic absorbers［J］. Laser & Photonics Reviews， 2014， 8（4）： 495-520.

［10］田宇澤， 金晶， 楊河林， 等. 微波電磁超材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究進(jìn)展［J］. 中國科學(xué)： 物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)， 2023， 53（9）： 197-207.

TIAN Yuze， JIN Jing， YANG Helin， et al. Research progress on design and application of microwave electro-magnetic metamaterial［J］. Scientia Sinica （Physica， Mechanica & Astronomica）， 2023， 53（9）： 197-207.

［11］WANG D D， JIN J， GUO Y， et al. Lightweight waterproof magnetic carbon foam for multifunctional electromagnetic wave absorbing material［J］. Carbon， 2023， 202： 464-474.

［12］KIM T， MAHDI I， CHOI H， et al. Solar-light-assisted lithium-ion storage using solar-light absorbing material［J］. Energy Technology， 2022， 10（12）： 1-8.

［13］王彥朝， 許河秀， 王朝輝， 等. 電磁超材料吸波體的研究進(jìn)展［J］. 物理學(xué)報(bào)， 2020， 69（13）： 39-51.

WANG Yanzhao， XU Hexiu， WANG Chaohui， et al. Research progress of electromagnetic metamaterial wave absorbers［J］. Acta Physica Sinica， 2020， 69（13）： 39-51.

［14］GAO B， YUEN M M F， YE T T. Flexible frequency selective metamaterials for microwave applications［J］. Scientific Reports， 2017， 7： 45108.

［15］杜宏艷， 張子棟， 田瑞， 等. 基于人工電磁介質(zhì)的寬帶吸波器研究進(jìn)展［J］. 材料工程， 2020， 48（6）： 23-33.

DU Hongyan， ZHANG Zidong， TIAN Rui， et al. Research progress in broadband absorber based on artificial electromagnetic medium［J］. Journal of Materials Engineering， 2020， 48（6）： 23-33.

［16］王洋， 趙宏剛， 楊海濱， 等. 基于變密度法的水聲隔聲超材料拓?fù)淠嫦蛟O(shè)計(jì)［J］. 中國科學(xué)： 技術(shù)科學(xué)， 2023， 53（8）： 1360-1371.

WANG Yang， ZHAO Honggang， YANG Haibin， et al. Inverse topological design of underwater sound insulation metamaterials based on a density-based method［J］. Scientia Sinica（Technologica）， 2023， 53（8）： 1360-1371.

［17］JIA Z X， ZHANG M F， LIU B， et al. Graphene foams for electromagnetic interference shielding： A review［J］. ACS Applied Nano Materials， 2020， 3（7）： 6140-6155.

［18］ZHAO X M， LIU Y J， LIANG T L， et al. Influence of the needle depth and frequency on the thermal insulation performance of pre-oxidised fibre felts［J］. Fibres & Textiles in Eastern Europe， 2020， 28（4）： 57-66.

［19］YAHIAOUI R， TAN S Y， CONG L Q， et al. Multispectral terahertz sensing with highly flexible ultrathin metamaterial absorber［J］. Journal of Applied Physics， 2015， 118（8）： 083103.

［20］SHAN Y， CHEN L， SHI C， et al. Ultrathin flexible dual band terahertz absorber［J］. Optics Communications， 2015， 350： 63-70.

［21］WANG X， ZHANG B Z， WANG W J， et al. Design， fabrication， and characterization of a flexible dual-band metamaterial absorber［J］. IEEE Photonics Journal， 2017， 9（4）： 1-12.

［22］陳哲耕. 太赫茲超材料的設(shè)計(jì)與性能控制研究［D］. 成都： 電子科技大學(xué)， 2017： 19-44.

CHEN Zhegeng. Design and Performance Control of Terahertz Metamaterials［D］. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2017： 19-44.

［23］JU Z D， XU G Q， WEI Z H， et al. .An ultra-broadband terahertz metamaterial absorber based on split rings array and island-shape structures［J］. Modern Physics Letters B， 2018， 32（17）： 1-12.

［24］楊鵬， 秦晉， 徐進(jìn)， 等. 超薄柔性透射型超構(gòu)材料吸收器［J］. 物理學(xué)報(bào)， 2019， 68（8）： 242-247.

YANG Peng， QIN Jin， XU Jin， et al. Ultrathin flexible transmission metamaterial absorber［J］. Acta Physica Sinica， 2019， 68（8）： 242-247.

［25］MOHANTY A， ACHARYA O P， APPASANI B， et al. A broadband polarization insensitive metamaterial absorber using petal-shaped structure［J］. Plasmonics， 2020， 15（6）： 2147-2152.

［26］KIM I H， KIM D， YIN M Y， et al. Characteristics of graphene embedded indium tin oxide （ITO-graphene-ITO） transparent conductive films［J］. Molecular Crystals and Liquid Crystals， 2018， 676（1）： 95-104.

［27］阮心怡， 楊家驊， 邱夷平， 等. 含超材料吸波體的夾芯復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制備及性能［J］. 航空材料學(xué)報(bào)， 2022， 42（3）： 45-54.

RUAN Xinyi， YANG Jiahua， QIU Yiping， et al. Design， fabrication and properties of sandwich composites with metamaterial absorbers integrated［J］. Journal of Aero-nautical Materials， 2022， 42（3）： 45-54.

［28］吳楊慧， 王俊杰， 賴森鋒， 等. 用于航空電磁防護(hù)和智能隱身的光學(xué)透明柔性寬帶吸波器的試驗(yàn)研究［J］. 航空科學(xué)技術(shù)， 2019， 30（5）： 70-74.

WU Yanghui， WANG Junjie， LAI Senfeng， et al. Experimental study on optically transparent flexible broadband absorber for aviation electromagnetic protection and intelligent stealth［J］. Aeronautical Science & Technology， 2019， 30（5）： 70-74.

［29］王連勝， 夏冬艷， 丁學(xué)用， 等. 適用于77 GHz車載毫米波雷達(dá)電磁屏蔽的超材料吸波體設(shè)計(jì)［J］. 海南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2021， 34（4）： 401-405.

WANG Liansheng， XIA Dongyan， DING Xueyong， et al. Design of metamaterial absorber for electromagnetic shielding of 77 GHz vehicle-mounted millimeter wave radar［J］. Journal of Hainan Normal University（Natural Science）， 2021， 34（4）： 401-405.

［30］王蒙軍， 戶天宇， 雷曉勇， 等. 可共形透明寬帶超材料吸波體設(shè)計(jì)與分析［J］. 電子元件與材料， 2022， 41（7）： 699-706.

WANG Mengjun， HU Tianyu， LEI Xiaoyong， et al. Design and analysis of conformal transparent wideband metamaterial absorber［J］. Electronic Components and Materials， 2022， 41（7）： 699-706.

［31］PALANISAMY S， TUNAKOVA V， MILITKY J. Fiber-based structures for electromagnetic shielding-comparison of different materials and textile structures［J］. Textile Research Journal， 2018， 88（17）： 1992-2012.

［32］于永濤， 王彩霞， 劉元軍， 等. 吸波復(fù)合材料的研究進(jìn)展［J］. 絲綢， 2019， 56（12）： 50-58.

YU Yongtao， WANG Caixia， LIU Yuanjun， et al. Research progress of wave absorbing composites［J］. Journal of Silk， 2019， 56（12）： 50-58.

［33］王威. 基于超材料的低頻化吸波體的設(shè)計(jì)［D］. 南京： 南京理工大學(xué)， 2020： 36-48.

WANG Wei. Design of Low Frequency Chemoabsorbent Based on Metamaterials［D］. Nanjing： Nanjing University of Science and Technology， 2020： 36-48.

［34］CHEN F， CHENG Y Z， LUO H. A broadband tunable terahertz metamaterial absorber based on single-layer complementary gammadion-shaped graphene［J］. Materials， 2020， 13（4）： 860-871.

［35］YANG Y L， WANG J P， SONG C Y， et al. Electromagnetic shielding using flexible embroidery metamaterial absorbers： Design， analysis and experiments［J］. Materials & Design， 2022， 222： 1-11.

［36］曹旭有. 微波段柔性復(fù)合材料的寬頻吸波仿真模擬研究［D］. 天津： 天津工業(yè)大學(xué)， 2022： 39-63.

CAO Xuyou. Broadband Absorption Simulation of Flexible Composites in Microwave Segment［D］. Tianjin： Tiangong University， 2022： 39-63.

［37］YANG Y L， SONG C Y， PEI R， et al. Design， characterization and fabrication of a flexible broadband metamaterial absorber based on textile［J］. Additive Manufacturing， 2023， 69： 103537.

［38］LI Y P， WANG X C， PAN Z， et al. Analysis of shielding effectiveness in different kinds of electromagnetic shielding fabrics under different test conditions［J］. Textile Research Journal， 2019， 89（3）： 375-388.

［39］DAI A H， SUN W J. Mechanisms of nadph oxidase biological effects in the electromagnetic radiation［J］. Progress in Biochemistry and Biophysics， 2014， 41（12）： 1222-1227.

［40］ZAFAR M F， MASUD U， RASHID A， et al. Comment on 'An ultrathin and broadband radar absorber using meta-materials'［J］. Waves in Random and Complex Media， 2022， 32（6）： 2872-2877.

［41］楊慶生， 粘向川， 張婧， 等. 智柔超材料及其力學(xué)性能的研究進(jìn)展［J］. 固體力學(xué)學(xué)報(bào)， 2024， 45（2）： 145-169.

YANG Qingsheng， NIAN Xiangchuan， ZHANG Jing， et al. Recent research progress on intelligent flexible mechanical matamaterials and their properties［J］. Chinese Journal of Solid Mechanics， 2024， 45（2）： 145-169.

［42］劉宏燕， 顏悅， 望詠林， 等. 透明導(dǎo)電氧化物薄膜材料研究進(jìn)展［J］. 航空材料學(xué)報(bào)， 2015， 35（4）： 63-82.

LIU Hongyan， YAN Yue， WANG Yonglin， et al. Recent progress in study of transparent conducting oxide films［J］. Journal of Aeronautical Materials， 2015， 35（4）： 63-82.

［43］劉瑞. 超寬帶柔性超材料吸波器研究［D］. 太原： 中北大學(xué)， 2021： 20-51.

LIU Rui. Research on Ultra-wideband Flexible Metama-terial Wave Absorber［D］. Taiyuan： North University of China， 2021： 20-51.

［44］MIN P P， SONG Z C， YANG L， et al. Optically transparent flexible broadband metamaterial absorber based on topology optimization design［J］. Micromachines， 2021， 12（11）： 1419-1433.

［45］劉婧雯. 基于方環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)的超材料吸波器研究［D］. 太原： 中北大學(xué)， 2022： 35-50.

LIU Jingwen. Research on Metamaterial Wave Absorber Based on Square Ring Nested Structure［D］. Taiyuan： North University of China， 2022： 35-50.

［46］王玲玲. 新型電磁超材料吸波器研究［D］. 南京： 南京航空航天大學(xué)， 2018.

WANG Lingling. Research on New Electromagnetic Metamaterial Wave Absorber［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2018.

［47］GUO X R， ZHANG Z， WANG J H， et al. The design of a triple-band wide-angle metamaterial absorber based on regular pentagon close-ring［J］. Journal of Electromag-netic Waves and Applications， 2013， 27（5）： 629-637.

［48］LI X， WEN C Y， YANG L T， et al. MXene/FeCo films with distinct and tunable electromagnetic wave absorption by morphology control and magnetic anisotropy［J］. Carbon， 2021， 175： 509-518.

［49］HAN C， ZHONG R B， LIANG Z K， et al. Independently tunable multipurpose absorber with single layer of metal-graphene metamaterials［J］. Materials， 2021， 14（2）： 284-295.

［50］WU P H， ZENG X T， SU N， et al. Near-infrared perfect absorber based on critical coupling of circular cross metals and single-layer graphene［J］. Diamond and Related Materials， 2022， 127： 1-8.

［51］ZHENG H Y， CHEN L Y， LEE Y. High-performance and flexible metamaterial wave absorbers with specific bandwidths for the microwave device［J］. Crystals， 2023， 13（6）： 868-877.

［52］汪江宇. 基于超表面的多功能平面電磁波前調(diào)控器件研究［D］. 成都： 電子科技大學(xué)， 2023.

WANG Jiangyu. Research on Multifunctional Planar Electromagnetic Wave Front Control Devices Based on Metasurface［D］. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2023.

［53］王俊茹. 超材料吸波體設(shè)計(jì)及其3D打印制備工藝研究［D］. 西安： 西安理工大學(xué)， 2023： 6-28.

WANG Junru. Research on the Design and 3D Printing Process of Metamaterial Absorber［D］. Xi'an： Xi'an University of Technology， 2023： 6-28.

［54］SHEN Y， ZHANG J P， PANG Y Q， et al. Thermally tunable ultra-wideband metamaterial absorbers based on three-dimensional water-substrate construction［J］. Scientific Reports， 2018， 8（1）： 4423-4433.

［55］ZHOU Q， XUE B， GU S Y， et al. Ultra broadband electromagnetic wave absorbing and scattering properties of flexible sandwich cylindrical water-based metamaterials［J］. Results in Physics， 2022， 38： 105587-105593.

［56］SHI Y P， DUAN Y P， HUANG L X， et al. Bio-inspired hierarchical chiral metamaterials： Near-field coupling and decoupling effects modulating microwave-stealth properties［J］. Advanced Optical Materials， 2022， 10（20）： 1-10.

［57］CHEN J Y， ZHANG H Y， JI H， et al. Origami tunable frequency selective fabric and its tuning mechanism［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2023， 164： 1-9.

［58］KROGH C M， HARRINGTON M E. Wind turbine electromagnetic energy： Exploring risk of harm to human health［J］. Alternative Therapies in Health and Medicine， 2019， 25（3）： 32-38.

［59］鄧光晟， 陳文卿， 余振春， 等. 基于導(dǎo)電塑料膜的角度不敏感寬帶超材料吸波體設(shè)計(jì)及制備［J］. 光學(xué)學(xué)報(bào)， 2022， 42（22）： 119-126.

DENG Guangsheng， CHEN Wenqing， YU Zhenchun， et al. Design and preparation of angle-insensitive wideband metamaterial absorber based on conductive plastic film［J］. Acta Optica Sinica， 2022， 42（22）： 119-126.

［60］PENDRY J， ZHOU J， SUN J B. Metamaterials： from engineered materials to engineering materials［J］. Engineering， 2022， 17： 1-2.

Recent advances in wave absorbers based on flexible electromagnetic

metamaterials with different structures

JIAO? Xinyu1a，? ZHANG? Fuyong2，? LIU? Yuanjun1，? ZHAO? Xiaoming1

（1a. School of Textile Science and Engineering; 1b. Tianjin Key Laboratory of Advanced Textile Composites;

1c. Tianjin Key Laboratory of Advanced Fiber and Energy Storage Technology， Tiangong University，

Tianjin 300387， China; 2.Loftex Industries Ltd.， Binzhou 256600， China）

Abstract：

With the advancement of science and technology， electromagnetic protective materials are no longer confined to traditional flexible electromagnetic shielding materials. The emergence of electromagnetic metamaterial functional devices has enabled effective manipulation of electromagnetic waves. In the fabrication of metamaterial absorbers， a majority of them are constructed as three-layer structures on rigid substrates. Flexible metamaterials not only enable the conformal wrapping of objects but also contribute to the electromagnetic properties of materials.

Traditional metamaterial structures consist of three layers， namely， a metal-dielectric-metal structure. The top layer is used for providing impedance matching， the middle layer attenuates electromagnetic waves through absorption， and the bottom layer is employed to block transmitted waves. Researchers have designed and prepared flexible absorbing materials that achieve efficient absorption at specific frequencies and within a wide frequency range， with polyimide （PI） being a commonly used flexible medium. Researchers replaced the metal resonator in the top layer of the absorbing material with a resistive film to optimize impedance matching. Studying flexible electromagnetic metamaterial absorbing materials with different material combinations is crucial for addressing complex electromagnetic wave environments and coping with multi-frequency band communication systems.

Subsequently， researchers began to design flexible electromagnetic metamaterial absorbing materials based on structures with more than three layers. The materials mainly achieve absorption at different frequencies by combining the electromagnetic characteristics of multiple layers， thus providing a broader absorption spectrum. Among them， flexible electromagnetic metamaterial absorbing materials based on indium tin oxide （ITO） not only achieve high absorption rates， but also maintain good optical transparency. This type of structure has greater design flexibility and resonance intensity. Therefore， such materials can achieve precise and extensive impedance matching， demonstrating broadband absorption characteristics.

Compared to planar structures， flexible electromagnetic metamaterial absorbing materials based on three-dimensional structures have significant potential applications. These materials can absorb electromagnetic waves in multiple frequency bands simultaneously and adapt to surfaces of various shapes and curvatures to meet various engineering and design requirements.

In general， the research scope of flexible electromagnetic metamaterial absorbers is extensive， involving diverse fabrication techniques employing multiple structures. The optimization and enhancement of electromagnetic performance are achieved through meticulously layered designs. In-depth exploration and practical experimentation in the aforementioned research directions may potentially offer novel insights and methodologies for the preparation and application of flexible electromagnetic metamaterial absorbers. The future applications of flexible metamaterial absorbers are expected to continually expand across various domains.

Keywords：

metamaterials; wave absorbing materials; flexible materials; electromagnetic protection