不同結構柔性電磁超材料吸波體的最新研究進展

焦馨宇 張富勇 劉元軍 趙曉明

DOI： 10.19398/j.att.202310021

摘? 要：傳統的電磁超材料通常具有剛性結構，其應用受到一定限制，無法滿足當前市場需求，因此質輕、吸收強、吸收頻帶寬的柔性電磁超材料吸波體的開發利用成為重要的發展方向。文章從柔性電磁超材料吸波體結構出發，概括了基于3層結構的柔性電磁超材料吸波體的最新研究，討論了基于3層以上結構的柔性電磁超材料吸波體的研究現狀，介紹了三維立體結構的柔性電磁超材料吸波體的研究進展，并展望了柔性電磁超材料吸波體未來的發展方向。柔性電磁超材料吸波體在電磁波防護方面具有巨大的潛力，未來將在各個領域得到廣泛應用。

關鍵詞：超材料；吸波材料；柔性材料；電磁防護

中圖分類號：TS102. 4

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2024）06-0116-13

收稿日期：20231026

網絡出版日期：20240227

基金項目：中國工程院咨詢研究項目（2021DFZD1）；天津市科技計劃項目創新平臺專項（17PTSYJC00150）

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

通信作者：劉元軍，E-mail：liuyuanjunsd@163.com

隨著科學技術的進步，電磁波的應用在各個領域為人類的繁榮進步作出了不可替代的巨大貢獻［1］。但大量電磁波所產生的強烈的電磁輻射，會對人體和環境造成一定的危害；另外，軍事設備所發射的電磁波信號可能引發信息泄露的風險［2］。因此，人們對設備或人員進行電磁防護的需求日益迫切，各種吸波材料的研發方法成為當前研究的熱點。

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

近十年來，研究人員已設計出多種基于金屬亞波長結構的電磁吸波體，其中金屬結構的超材料吸波體具備優異的光捕獲能力［7］。由于等離子體或光子模式的多功能性，電磁吸波體的機制呈現多樣性［8］。在不同的應用場景中，通常需要采用不同的設計方案，以滿足特定的要求。為實現這些設計要求，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、導線、單元胞［10］。

傳統的電磁超材料通常采用厚而剛性的結構，該結構通常適用于微波頻段的高頻范圍［11］。隨著電磁超材料應用領域的不斷拓展，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）和苯丙環丁烯（BCB）［13-14］。若將與物體表面共形的介質作為吸波體的中間介質層，則可以將吸波體彎曲覆蓋在非平面的物體上，從而擴展超材料吸波體的應用范圍。超材料吸波體的吸波性能受很多因素影響，如吸波體的結構、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］。

本文考察近年來關于柔性超材料吸波體結構的國內外研究情況，首先詳細介紹基于3層結構的柔性超材料吸波體的研究現狀，其次簡要論述基于3層以上結構的柔性超材料吸波體的研究進展，然后簡要闡述三維立體結構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展方向。通過對不同結構柔性電磁超材料吸波體進行總結，為電磁防護材料發展提供研究思路，推進柔性電磁超材料吸波體的結構設計和工藝優化研究，促進該材料在各個領域的應用。

1? 基于3層結構的柔性電磁超材料吸波體

本節通過闡述不同材料組成的基于3層結構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新應用提供更多可能性［17］。

1.1? 基于金屬-介質-金屬結構的柔性電磁超材料吸波體

傳統超材料結構由3層組成，一般為金屬-介質-金屬結構。其中，頂層是金屬圖案層，用于實現阻抗匹配，以增強入射電磁波；中間層是介質層，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］設計了一種多波段超薄、高度靈活的超材料吸波體。該材料頂層是內部切割線和外部雙間隙開口諧振環組成的平面鋁制金屬諧振器，中間介質層是聚酰亞胺薄膜，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至法布里-珀羅諧振腔中。諧振腔因結構層之間發生的多次反射導致相長干涉，從而使吸波體能夠實現高效吸收。在傳感設備的預處理過程中該吸波體表現出較高的靈敏度，實現最大頻率靈敏度為每個折射率單元約19.20 GHz。

Shan等［20］設計了一種基于方形諧振環的超薄柔性雙波段太赫茲吸波體。該材料具有兩個不對稱間隙和一個金屬背板，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，該吸波體兩個諧振頻的吸收率分別為92.2%和97.4%。

Wang等［21］設計了一種靈活的雙波段MM吸波體，其結構如圖1（b）所示。該吸波體頂層是單個T形銅貼片的周期性陣列共振結構，中間介質層是柔性PI，底部是連續銅平面。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，其厚度僅為波長的1/74和1/40。陳哲耕［22］設計了一款具有螺旋環結構的新型柔性超材料吸波體，其結構單元如圖1（c）所示。該材料頂層是表面鋁制金屬諧振器，這種諧振器由傳統光刻技術制備的螺旋環組成，中間介質層是PI薄膜，底層是鋁制金屬板。該研究表明：該螺旋環超材料的低頻響應頻率在1.624 THz，半峰寬為330 GHz；高頻響應在2.634 THz，半峰寬為250 GHz。同時，陳哲耕［22］還設計了一種柔性THz柔性超材料吸波體，頂層金屬諧振器是鋁制正方形，中間介質層是PI薄膜，底層是連續金屬膜。該研究表明：柔性THz超材料表面方形諧振器通過掩膜技術制備，優化材料結構，使其更規則、邊緣更整齊，以實現更佳的效果。

由上述研究可知，柔性吸波體在特定頻率值處表現出色，各種吸波體可以實現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現電磁吸收。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、結構設計和電磁波理論等多個因素，成功制備了具有廣泛頻率范圍內高效吸收性能的柔性吸波體。

Ju等［23］設計了一種新型的島形結構寬帶超材料吸波體，其結構單元如圖1（d）所示。該吸波體頂層包含4個大小相同、底座高度不同的鉻制金屬分裂環，中間介質層是PI，底層是鋁金屬板。該研究表明，在1.82～3.70 THz頻率范圍內，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構，可以在寬頻附近精確地增加一個新的峰值，從而提高了帶寬。楊鵬等［24］設計并加工了一種超薄柔性透射型吸波體，該吸波體結構頂層是兩條平行放置的尺寸不同的銅質金屬線，中間介質層是PTFE，底層是金屬光柵。該吸波體可實現柔性彎曲，易實現與曲面目標共形。該吸波體對一種極化的入射波實現高效吸收，而對另一種極化的入射波實現高效透射，并且兩個吸收頻點可分別獨立調節。該研究表明：島形吸波體對橫電波在5.00 GHz和7.00 GHz的吸收分別達到97.5%和96.0%，對橫磁波在3.00～6.50 GHz透射率都能達到90%以上；當電磁波的入射角增大到60°時，該吸波體的性能基本不受影響，表現出良好的廣角特性。Mohanty等［25］設計了一種花瓣形結構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構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，該吸波體寬帶吸收率大于90%。

表1展示了基于金屬-PI-金屬結構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-金屬結構的傳統超材料吸波體中，PI是柔性電磁超材料吸波體中常見的柔性介質；多數柔性超材料吸波體與傳統吸波材料相比可實現太赫茲頻率范圍內對電磁波的有效吸收，且吸收率均大于90%。當吸波體采用相同結構組成但諧振器的圖案不同時，有效的吸收頻率也不同。未來的研究可以側重于優化柔性超材料吸波體的諧振器圖案設計，以調整和擴展其有效吸收頻率。

1.2? 基于ITO-介質-ITO結構的柔性電磁超材料吸波體

氧化銦錫（ITO）是一種透明導電氧化物，具有高透明度，在可見光和紅外光譜范圍內表現尤其出色。由于其卓越的電導性，人們將ITO作為導電層廣泛應用于各種電子器件中。同時，通過調整氧化條件可以改變ITO的電學性質，從而實現對電阻率的精確控制，因此其能夠適應不同應用領域的需求［26］。相對于傳統金屬而言，ITO表現出更為優越的阻抗匹配性，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，通過與外部電路實現阻抗匹配，ITO為電磁波的吸收提供了更為有效的路徑［27］。

吳楊慧等［28］設計了一款ITO-PET-ITO的光學透明吸波體，其結構如圖1（e）所示。該吸波體頂層是ITO諧振結構，中間是PET介質層，底層是ITO，單元結構周期重復排布，覆蓋整個樣品表面。頂層ITO諧振結構為軸對稱結構，由一個開口環和一個疊加方塊結構組合而成。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］設計了一種柔性光學透明超材料吸波體，其結構單元如圖1（f）所示。該吸波體頂層是ITO導電薄膜同心圓環、中間介質層是柔性好且透光率較高的PDMS介質，底層是ITO導電薄膜基底。該研究表明：該吸波體在74.00～78.00 GHz范圍內的吸收率大于90%，中心頻率77.00 GHz處的吸收率達到了98%，實現了對車載毫米波雷達77.00 GHz頻段信號的良好電磁屏蔽。

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

基于ITO-介質-ITO結構的柔性電磁超材料吸波體結構中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構，可以實現阻抗優化、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構柔性電磁超材料吸波體

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

Chen等［34］提出了一種三層結構可調諧超材料吸波體。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，中間介質層是PDMS，底層是連續金屬層。該研究表明：當Ef為0.8 eV時，該吸波體的相對帶寬達到最大值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現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用中的潛在優勢和性能，特別是其不僅能夠在寬頻率范圍內調節太赫茲波段的振幅，而且可能還具有在空間范圍內實現不同程度振幅調節和衰減的功能。

Yang等［35］設計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加固材料（Functional silicate solution，FSS）、水肺針織織物和金屬織物組成。材料頂層FSS選擇了具有可設計諧振頻率的方形環作為導電圖案單元，FSS下方的中間介質層是厚度為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）實現黏合。該研究表明：在2.39 GHz頻率時，當該吸波體的刺繡FSS繡距值為0.70 mm時，吸收率峰值高達99%。該吸波體將刺繡運用于超材料吸波體，這對于柔性材料領域具有突破性進展，同時織物相比于其余介質成本低且易獲取。

曹旭有［36］設計了一種矩形柔性寬頻吸波體。該吸波材料結構頂層使用無介電性能的導電金屬纖維紗線，通過編織或針織工藝搭接成矩形網，中間層為介質涂層，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頻率范圍內的吸收率均大于90%，相對吸收頻寬達到93.75%。曹旭有［36］設計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，中間層為介質涂層，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，該吸波體諧振頻點為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］設計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上進行改進，頂層結構調整為六邊形形狀，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，諧振頻點為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計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用，并且在一定頻率范圍內3種材料的吸波率均大于90%。

Yang等［37］設計了一種基于紡織品的新型柔性寬帶超材料吸波體，其結構單元如圖2（d）所示。該吸波體頂層是4個對稱方形扣的FSS電阻膜圖案，介質中間層是厚度為2.60 mm的潛水編織物，底層是金屬織物。與傳統的柔性吸波材料不同，該設計具有設計自由度高、柔性好、結構簡單、成本低等優點。該研究表明，在8.90～15.20 GHz和11.20～24.10 GHz頻率范圍內，該吸波體表現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，旨在實現寬頻吸波特性，以滿足復雜電磁波環境及多頻段通信系統的需求。在實現彎曲和適應復雜曲面的特性時，柔性吸波體對機械穩定性的需求也隨之增加。在特定情況下，吸波體經歷彎曲、拉伸或擠壓等形變后，可能會導致其性能下降或材料損傷［38-39］。

由上述研究可知，采用三層結構的柔性電磁超材料吸波體，其構成涵蓋了簡單的金屬-介質-金屬、ITO-介質-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的種類、頂層幾何圖案結構以及各層介質厚度等。當三層結構柔性電磁超材料吸波體的材料相同時，通過不斷提升超材料吸波體的其余影響因素，該結構能夠將吸波體的吸波頻段擴展至太赫茲范圍。

2? 基于3層以上結構的柔性電磁超材料吸波體

在基于三層結構的柔性電磁超材料吸波體中，單一柔性介質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層以上復合結構的柔性電磁超材料吸波。隨著結構層次的逐漸增加，柔性電磁超材料吸波體的設計靈活性得到了顯著提升，從而更有利于制備出“薄、輕、寬、強”的理想柔性電磁超材料吸波體。

2.1? 基于ITO的3層以上結構柔性超材料吸波體

ITO-介質-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。在三層結構的基礎上，增加超材料的層次，充分利用各種材料的卓越性能，有望進一步優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的數量，不僅有助于提高能量傳輸效率，還能夠進一步提升吸波效能，使柔性超材料吸波體在不同頻率范圍內表現出更為卓越的性能［41-42］。

劉瑞［43］設計了一種超寬帶光學透明超材料吸波體，其結構如圖3（a）所示。該吸波體為ITO-PET-介質層-PET-ITO的結構，頂層復合諧振結構由十字形和方環交叉排列而成；中間透明介質層為空氣、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，該吸波體的吸收率達到90%以上，并且整個結構在可見光范圍內的平均光學透過率大于78%。劉瑞［43］還設計了一種多層結構超材料吸波體，其結構單元如圖3（b）所示。該吸波體結構由金屬銅方環陣列諧振結構層、環氧樹脂介質基板、柔性的黏合層PDMS、中間金屬鋁薄層、底部連續金屬雙重方環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，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］設計了一種具有光學透明性和寬帶吸收性的共形超材料吸波體，結構如圖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，該吸波體的吸收率能達到90%以上。在電磁波入射角分別為45°和70°時，該吸波體對TE波和TM波均能保持寬帶吸收。

劉婧雯［45］設計了一種四層結構超材料吸波體，其結構如圖3（d）所示。該超材料吸波體為ITO-雙介質層-ITO結構，中間介質層是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到90%以上；在可見光波段內，該吸波體透光率達到73%以上。

上述設計表明，柔性電磁超材料吸波體不僅在超寬帶范圍內實現了高電磁吸收率，而且在可見光范圍內保持了卓越的光學透過率。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特特性，展現出在實際應用中具備廣泛潛在用途的優越性能。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層以上結構的柔性超材料吸波體

王玲玲［46］設計了一種寬帶柔性吸波體，其結構單元如圖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，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］設計了一款具有透射窗口的超材料吸波體，其結構單元如圖3（e）所示，將上一種幾何圖案中間改為十字結構、底層換為FSS。該研究表明：該吸波體在2.90 GHz處有一個透射窗，透射系數在0.8以上，在7.00～16.00 GHz頻率范圍內吸收率在90%以上。

Guo等［47］設計了一種正五邊形閉環結構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的消費后塑料（Post consumer recycling，PCR）、單層或多層超薄介質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現了3個不同的吸收峰，正常入射時吸收率大于99%。PCR的靈活性在超薄基底多波段超材料吸波體的設計和制造方面發揮了重要作用。

Li等［48］設計了一種柔性MXene/FeCo薄膜吸波體，其結構單元如圖4（a）所示。該吸波體具有單層MXene堆疊組成的連續層狀結構。該研究表明：該吸波體在3.76 GHz時的最大反射損耗值為-43.70 dB，在10.16 GHz時的最大反射損耗值為-36.20 dB。該材料獨特的交替層狀結構在提高吸波體衰減能力方面發揮了關鍵作用。

Han等［49］設計了一種石墨烯基超材料吸波體，其結構如圖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、絕緣介質層和金屬基板緊密堆疊組成。該吸波體單元格中的級聯諧振器是由兩個不同尺寸的十字組成，兩個十字架之間有一個0.2 μm的小間隙，石墨烯放于兩個十字架下，兩個十字架之間有一個直徑為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出卓越的吸波性能。

Wu等［50］設計了一種新型的超材料吸波體，其結構單元如圖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，并通過環形交叉金屬與單層石墨烯耦合結構，實現近紅外高效吸收。該結果表明，在2121.39 nm波長處該吸波體的吸收效率達到99.98%。未來可通過更改結構參數來調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］設計了一種高性能電磁波超材料吸波體，其結構單元如圖4（d）所示。由銅圖案層、第一層PI層、電阻層、第二層PI層和銅連續層這5層組成。該研究表明：該吸波體可直接用于5G技術，在（28.00±1）GHz的定制頻率范圍內表現出高吸收性能；在26.35～31.90 GHz時吸收率大于99%，在28.00 GHz時吸收率甚至達到99.8%。

基于3層以上結構的柔性超材料吸波體，通過層疊結構的巧妙設計，實現了更寬吸收頻率范圍。這種設計具有較大的設計靈活性和更強的共振強度，可實現精確而廣泛的阻抗匹配，從而展現出寬帶吸收特性。這類材料在原料選擇和結構設計方面具備各種組合形式。通過對材料中各個參數的仔細調控，可以獲得具有不同吸波性能的超材料吸波體。這種設計靈活性不僅使得超材料吸波體能夠適應不同的應用場景，而且為未來的研究提供了廣闊的發展空間。

3? 基于三維立體結構的柔性電磁超材料吸波體

目前，已研發的三維立體結構超材料吸波體主要通過3D打印技術制造，而柔性三維立體超材料吸波體由于在設計上引入柔性材料，使得該設計展現出簡潔高效的特點，具備實現大規模生產的顯著優勢。同時，這類吸波體具備適應各種復雜形狀和曲率表面的靈活性，在工程和設計領域能發揮重要作用［52-53］。

王玲玲［46］設計了一款非互易電磁超材料吸波體，三維立體結構單元如圖4（e）所示。該吸波體由兩個相互垂直的非對稱的超材料片層構成，其中片層1和片層2的結構完全相同，而每個超材料片層又是由開口諧振環構成。通過將電磁超材料吸波體的單元結構進行三維立體化，在多個平面內實現了精確的阻抗匹配，從而顯著增強了在多個方向上的電磁諧振效應。

Shen等［54］設計了一種基于水基板和金屬的三維立體結構超材料吸波體，通過將蒸餾水填充到介電儲層中作為超薄水基板，然后將水基板規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的頻率范圍內該吸波體的吸收率大于90%。Shen等［54］還設計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層之間周期性地引入三角金屬魚骨結構。該研究表明，該吸波體在2.60～16.80 GHz頻率范圍內，相對吸收帶寬增加了64.8%。其將蒸餾水的獨特性質與工程金屬超材料結構相結合的方法，可有效拓寬電磁波吸收效率。

Zhou等［55］設計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，該吸波體可實現4.00～40.00 GHz的低頻和高頻協同電磁波吸收。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］設計了一種手性超材料吸波體，其結構如圖4（g）所示。該吸波體仿生物手性層狀結構由高熵合金電磁耗散單元和介質層組成。這種手性超材料表明，耦合和去耦合效應可以實現線極化波和圓極化波之間的動態轉換。該研究表明：仿生超材料在層間介質厚度為2 mm時，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。該研究為調控和優化電磁波傳播提供了重要的理論基礎和實際應用潛力。

Chen等［57］設計了一種折紙可調頻率超材料吸波體，該材料是通過對具有特殊三維空間結構的單層頻率選擇面進行折疊和熨燙制造而成的。該吸波體的獨特結構使其具備輕薄、柔韌、可彎曲的性質，并具有精確的諧振頻率調節功能。通過改變狀態，可以調整電磁波與該吸波體的導電單元相互作用的角度，從而實現諧振頻率的精確調節。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、靈活和頻率可調的特點，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構進行三維立體化設計，成功實現了多平面內的阻抗匹配優化，從而顯著增強了在多個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和屏蔽性能，在不同通信和雷達頻段中都具有應用潛力［59-60］。

4? 結論與展望

通過對柔性電磁超材料吸波體進行深入研究，研究人員可以采用多種結構設計來制備吸波體，并通過設計各層次材料來優化和提升其電磁吸波性能。首先，基于三層結構的超材料吸波體通過調整材料諧振器的幾何形狀、排列方式和電磁特性，可以實現特定頻率和性能的吸波效果。其次，基于3層以上結構的柔性電磁超材料吸波體通過結合多層材料的電磁特性，實現了對不同頻率的吸波，可提供更寬的吸波頻譜。最后，基于三維立體結構的柔性電磁超材料吸波體不僅能夠同時吸收多個頻段的電磁波，還能適應各種表面形狀和曲率，滿足不同工程和設計需求。同時柔性電磁超材料吸波體使用中可能會經歷彎曲、拉伸或擠壓等形變，從而導致性能下降或材料損傷，所以在吸波體結構設計上對復雜曲面的適應性有很高的機械穩定性需求。

然而，在追求柔性電磁超材料吸波體實現“薄、輕、寬、強”的研究過程中，面臨著一個物理矛盾：增加原料種類有助于優化電磁性能，但同時也會增加材料厚度，降低機械穩定性。通過對上述研究方向的深入探究和實際實踐，可為柔性電磁超材料吸波體的制備和應用提供一定的思路和方法。未來柔性超材料吸波體的應用將不斷擴展到各個領域。為了制備出性能更加優異的柔性電磁超材料吸波體，柔性超材料未來的研究及發展趨勢如下：

a） 創新性：研究新材料組合，實現更高效的吸波效果，通過結構創新，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，通過運用不同材料的性能，以滿足各種不同應用的需求。

c） 自適應性：研究著眼于開發智能柔性電磁超材料吸波體，其具備自適應性能，能夠根據環境條件或應用需求自動調整其電磁性能。

d） 先進制造技術：當前3D打印、納米制造和納米材料合成是材料發展熱點，但在柔性超材料吸波體的發展上，技術仍有待提高。通過結合先進制造技術，既可提高生產效率，又能降低生產成本。

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

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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