随着雷达探测与反探测技术的发展，近地轨道卫星等装备对隐身和通信性能提出了更高要求，传统电磁隐身超材料受限于固定构型，难以满足变体装备及多探测雷达环境的复杂需求。如何实现电磁性能与力学性能的协同调控，成为多功能隐身结构设计的关键科学问题。现有可调控结构面临吸波频带窄、驱动方式复杂、功能单一等瓶颈问题，因此，探索先进力学结构与电磁调控部件的深度融合，成为多功能可调控结构发展的重要方向，为新一代智能隐身材料的设计开辟了新路径。
近日，北京理工大学方岱宁院士、雷红帅教授等人创新提出了一种基于可重构剪纸-折纸结构的多频段可调控电磁吸波超材料设计方法。超材料通过高延展剪纸结构与双稳态折纸结构的协同变形机制，在2.7~15.6 GHz频带实现了可调微波吸收（吸收率≥90%），相对吸波带宽达133.3%，相对厚度仅0.077λ，同时具备三维负泊松比变形、自锁、双稳态及高可拉伸性等优异力学特性。研究成果以“Multiband Switchable Microwave Absorbing Metamaterials Based on Reconfigurable Kirigami–Origami”为题发表于国际顶级期刊Advanced Functional Materials。
剪折纸结构凭借轻质高效、形态可重构及优异的结构可设计性，在电磁调控领域得到了广泛关注。剪纸结构通过精妙的几何切割可实现出色的面内可拉伸性与连续变形行为，折纸结构则凭借独特的几何特征展现出双稳态和可控的三维折展能力。研究团队巧妙融合高延展剪纸结构与双稳态折纸结构，创新提出一种电磁吸波性能可调的剪纸-折纸超材料（见图1）。该设计主要由分形剪纸结构、Kresling折纸结构和阻抗图案三部分组成，分形剪纸面板通过柔性铰链连接，赋予结构优异的可拉伸性能，Kresling折纸单元具有双稳态特性，在折展过程中提供稳定的结构支撑和自锁效果。上下两层剪纸面板反对称排布，可在外载荷作用下驱动手性排布的折纸单元实现面外折展。通过集成阻抗图案作为电磁调控部件，方形电阻片排布于剪纸面板，用于构建频率选择表面，三角形电阻片置于折纸结构侧壁面，随折展运动同步变形。在外载荷驱动下，剪纸和折纸结构协同变形，改变阻抗图案在三维空间中的分布形式，实现多频段可调控的电磁隐身效果。
图1 剪纸-折纸电磁隐身超材料概念设计及应用场景
图2 剪纸-折纸超材料力学性能理论和仿真分析
研究团队系统分析了剪纸-折纸超材料协同变形机理（见图2），首先基于最小势能原理和桁架简化方法，分析了Kresling折纸结构双稳态特性，得到结构在折展运动过程中能量曲面和不同变形路径下应变能曲线，并建立了剪纸-折纸结构空间协同变形理论和仿真预测模型，进一步揭示了弹性模量比对结构双稳态性能的影响，为结构设计提供了理论基础。随后，研究团队设计并制备了剪纸-折纸超材料样件，开展了一系列空间拉展测试实验，图3展示了剪折纸结构在稳态切换过程中的外载荷-位移响应关系，直观验证了所设计的超材料具有双稳态和可变刚度力学特性。
图3 可重构剪纸-折纸超材料力学性能测试结果
为实现剪纸-折纸超材料多频段可调控的电磁吸波效果，研究团队采用遗传优化算法对结构参数进行了优化设计，并进一步分析了超材料的电磁吸波机理（见图4）。结果表明，超材料的电磁调控能力来源于方形和三角形电阻片的协同作用，方形电阻片作为频率选择表面实现阻抗匹配，三角形电阻片则在不同谐振频率下选择性吸收、反射和透射电磁波。随着剪纸-折纸结构状态切换，电阻片在空间中相对位置与排布方式随之改变，有效调控了电磁波传播路径，从而实现明显的可调吸波性能。
图4 多频段可调控电磁吸波性能优化及吸波机理分析
研究团队根据优化设计结果制备样件进行了实验验证（见图5）。结果表明，所设计的结构在稳定收缩状态下具备2.7~13.5GHz的吸波频带，相对带宽达133.3%，相对厚度仅为0.077λ；在稳定展开状态下具备6.2~15.6GHz的高频吸波频带；在剪纸收缩、折纸展开的非稳定状态下具备5.3~13.9GHz的吸波频带，实现了多宽频带的可调控电磁隐身效果。研究还进一步对比了同类可调控吸波结构，结果显示该超材料兼具优越的电磁吸收性能和力学特性。
图5 剪纸-折纸超材料可调控电磁性能测试结果
综上，研究人员在方岱宁院士先进结构技术理念的启发下，创新提出了一种可调控宽频电磁吸波剪折纸超材料设计方法，通过剪纸与折纸结构的空间协同变形机制，实现了可切换的多宽频带吸波效果，为多功能可调控电磁吸波结构设计提供了新范式。
北京理工大学博士研究生丁伟民为论文第一作者，博士后张众为论文共同第一作者，雷红帅教授为论文通讯作者，研究得到了赵则昂副教授、段晟昱副教授、王潘丁副教授、郭晓岗教授和方岱宁院士的指导。该研究工作得到了国家自然科学基金和国家博士后创新人才计划的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202515206