蒙皮等热结构是飞行器在高温极端服役环境中雷达波的主要散射源。未来新型飞行器热防护结构的设计，不仅要考虑材料与结构的耐高温、承载特性，还必须考虑其雷达隐身特性。传统的解决策略大多是采用吸波陶瓷材料，但其承载能力相对较差、吸波带宽窄、吸波效能有限。结构化的隐身方案，能够同时实现耐高温、承载与高性能宽频吸波。然而，陶瓷材料如何实现结构化隐身，其设计与制造都是难题。
我院何汝杰教授、黄怿行副教授在方岱宁院士的指导下开展耐高温雷达隐身陶瓷材料及其结构的设计、增材制造研究。近日，团队针对高温陶瓷材料的结构化隐身，采用大变异遗传算法设计了轻量化、承载、耐高温、宽频吸波的SiC陶瓷蜂窝超结构，并基于挤出3D打印制备SiC陶瓷材料结构件，完成了技术原理研究和初步验证。相关研究成果以“Material extrusion 3D printing of large-scale SiC honeycomb metastructure for ultra-broadband and high temperature electromagnetic wave absorption”为题发表于增材制造领域顶级期刊《Additive Manufacturing》（https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104158）。
研究首先测试了挤出3D打印制备的SiC陶瓷材料的电性能参数，建立了大变异遗传算法框架，设计了基于陶瓷增材的SiC陶瓷材料梯度蜂窝超结构。进而采用团队近年来攻关发展的大尺寸陶瓷挤出3D打印技术，实现了大尺寸SiC陶瓷材料梯度蜂窝超结构的制造。设计制造的SiC陶瓷材料梯度蜂窝超结构，室温环境下，在4.85-39.49GHz的超宽频段内具有-10dB以下的隐身效果。即使在温度超过1600℃的服役环境下，有效吸波带宽仍然超过35GHz。且该SiC陶瓷材料梯度蜂窝超结构在不同入射角度、不同极化模式下都具有优异的宽频吸波性能。
图1 基于增材的SiC陶瓷材料梯度蜂窝超结构及其常温吸波效果
图2 基于增材的SiC陶瓷材料梯度蜂窝超结构的高温吸波效果
作者进一步分析揭示了SiC陶瓷材料梯度蜂窝超结构的雷达隐身机理，这主要归因于由材料层面的电损耗、涡流损耗、偶极子极化，以及结构层面的介电损耗等机制组成的耦合机制带来的综合效应。
图3 基于增材的SiC陶瓷材料梯度蜂窝超结构的雷达隐身机理
此外，前期，何汝杰教授、黄怿行副教授还基于光固化3D打印SiC陶瓷材料，设计、制造了SiC陶瓷材料变尺寸台阶锥超结构，该结构室温下在6.96-40GHz的宽频频段下具有-10dB以下的吸波性能；在高温环境下，1000℃与1600℃下分别在4.54-40GHz、10.89-39.67GHz宽频频段内具有-10dB以下的吸波性能。相关研究成果发表以“Stereolithographically 3D printed SiC metastructure for ultrabroadband and high temperature microwave absorption”为题发表于综合期刊《Advanced Materials Technologies》（https://doi.org/ 10.1002/admt.202201222）。
图4 基于增材的SiC陶瓷材料变尺寸台阶锥超结构
作者简介：
发表于《Additive Manufacturing》的研究工作的第一作者为先进结构技术研究院博士生王文清，发表于《Advanced Materials Technologies》的研究工作的第一作者为先进结构技术研究院硕士生周妮平。何汝杰教授和黄怿行副教授为论文的共同通讯作者。
何汝杰，长聘教授，博士生导师。长期开展陶瓷及其复合材料3D打印研究。主持国家自然科学基金3项及各类项目20余项。以第一/通讯作者发表SCI论文130余篇，授权专利10余件。担任轻量化多功能复合材料与结构北京市重点实验室副主任，中国硅酸盐学会特种陶瓷分会青年工作委员会副秘书长，中国复合材料学会陶瓷基复合材料分会副主任委员、热防护复合材料分会委员，中国生物材料学会口腔颅颌面材料分会委员会委员等。担任SCI期刊International Journal of Applied Ceramic Technology副主编，Journal of Advanced Ceramics副主编，Materials编委，International Journal of Extreme Manufacturing、Rare Metals和《无机材料学报》青年编委；以及《现代技术陶瓷》、《陶瓷学报》、《硅酸盐通报》、《材料工程》、《航空材料学报》等中文期刊的编委/青年编委。
黄怿行，副教授，博士生导师。长期从事先进多功能复合材料与结构力学的研究工作，主要研究方向为增材制造聚合物多场耦合本构理论，机器学习本构理论，力学承载/微波宽频隐身/超高温防隔热/红外隐身等多种功能融合超结构的材料-结构-功能一体化设计理论与制造技术，力学点阵电磁功能化，结构化隐身等。目前在顶级期刊JMPS、CST、Matter、AFM、CPB等发表SCI文章近50篇，其中一作/通讯30余篇。主持国家自然科学基金青年项目、博士后科学基金特别资助和面上项目、JKW-JCJQ重点项目子课题和基金项目子课题、航天一院子课题等。曾获中国力学学会优秀博士论文、中国力学学会青年人才蓄水池项目、广东省力学学会优秀博士论文、广东省优秀学生、北京大学博雅博士后、博士国家奖学金等奖项和资助。
