西南交通大学孟凡彬团队：局域场增强与场耗协同解锁低频超薄可级联超材料

Cascaded Broadband Low-Frequency Microwave Absorption Covering P- to C-Band in Ultra-Thin Metamaterials via Synergistic Local Field and Loss Field Enhancement

Qian Yang, Hongbo Hou, Yongxi Lu, Zhongqiu Guo, Jiaxu Sun, Peng Zhang, Tian Yang* & Fanbin Meng*

Nano-Micro Letters (2026)18: 407

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02245-1

本文亮点

1. 场耗协同，局域增强：提出了一种基于场耗协同设计的“局域场增强”策略，为克服低频微波吸收领域中的性能权衡难题提供了全新途径。

2. 超薄阵列，打破极限：巧妙采用亚波长耦合超表面阵列替代传统的全反射层，成功打破了四分之一波长理论对吸波材料厚度的固有物理限制。

3. 突破零透，垂直级联：超越了传统吸波材料必须依赖“零透射”的条件约束，实现了吸波性能的纵向级联，为多层电磁结构设计开辟了广阔的可能。

研究背景

低频雷达探测系统对现代隐身技术构成持续威胁，发展兼具超薄特性与宽频响应的低频吸波材料，已成为该领域亟待解决的核心挑战。在低频段，受限于结构厚度与超长波长之间的物理冲突、宽带阻抗匹配的内在困难，以及材料本征损耗能力的不足，传统吸波材料面临着“薄层化”与“宽频化”难以协同的困境。近年来，超表面(Metasurfaces)通过对电磁波振幅、相位和极化的灵活调控，为突破上述限制提供了极具潜力的替代方案。然而，现有的超表面吸波体设计大多依赖于单一谐振模式，缺乏对多模态耦合机制的深入探索，且难以与高损耗吸波基底产生有效协同。更为关键的是，传统吸波材料通常在底部使用金属反射层，这导致了零透射(T = 0)的物理边界条件，不仅使其始终无法摆脱“四分之一波长理论”的厚度限制，也彻底阻碍了多层吸波结构的纵向级联与整合。此外，在实际工程应用中，低频吸波材料还需要具备优异的机械柔性，以确保其能够与复杂几何形状的飞行器蒙皮实现共形贴合。长期以来，如何打破物理与工程的双重限制，构建低频超薄且可级联的柔性吸波体系，是当前隐身材料研究突破的关键所在。

内容简介

针对低频电磁波吸收面临的厚度与性能难以兼顾的瓶颈，西南交通大学孟凡彬团队提出了一种“局域场增强”新策略。基于场-耗协同设计原理，该工作创新性地将双层亚波长耦合超表面阵列与具备高损耗、柔性特质的聚二甲基硅氧烷/片状羰基铁(PDMS/FCI)介质进行了一体化集成封装，成功构建了可级联超表面柔性吸波复合材料(CMFAC)。该构型通过表层与底层超表面的协同激励，激发出强烈的层间近场耦合与多模态谐振效应，促使局域电磁场在超表面特定区域高度汇聚，形成高密度的“热点”。高度集中的局域场随后与相邻的高损耗磁性介质发生强烈相互作用，从而实现了电磁能量的高效转化与耗散。更为重要的是，由于采用透射型超表面阵列替代了传统的金属反射层，该架构彻底解除了传统吸波体“零透射”的绝对物理束缚。这一底层架构的突破不仅跳出了“四分之一波长理论”对结构厚度的限制，更开启了电磁吸收性能纵向级联的新维度。

图文导读

I 刚柔并济的“基石”：PDMS/FCI 高损耗柔性基底的微观与力学协同

如图1所示，本研究利用硅烷偶联剂(KH-560)对 FCIs 进行表面改性，在PDMS交联网络中构筑了兼具高电磁损耗与高弹性的复合基底。在微观层面，KH-560显著增强了磁性填料与PDMS基体之间的界面结合力，使填料得以紧密镶嵌于基体中。宏观测试表明，即便在高达75%的磁性颗粒质量填充率下，该复合材料依然展现出优异的“刚柔并济”特性——它不仅具有显著提升的拉伸应力与压缩模量，更在循环压缩与弯折测试中保持了极低的永久变形和极高的结构回弹率。这一坚韧且高度柔性的吸收载体，为后续复杂飞行器蒙皮的共形贴附与持久隐身应用奠定了不可或缺的力学基础。

图1. PDMS/FCI复合材料及微观形貌与机械性能。

II 电磁“双刃剑”：本征损耗激增与阻抗匹配困局

如图2所示，复合介质在电磁参数调控上展现出鲜明的“双刃剑”效应。随着改性羰基铁(M-FCIs)填充量的逐步提升，基底内的导电网络与微电容大量形成，复介电常数与复磁导率同步显著攀升，赋予了材料极强的介电极化弛豫与自然铁磁共振损耗潜力。然而，这种本征损耗能力的激增并未直接转化为理想的宏观吸波性能。电磁仿真结果揭示，即便厚度增加至8 mm，纯复合基底的电磁波吸收率(A)也始终受制于0.9以下。其核心症结在于，过高的电磁参数引发了严重的界面阻抗失配，导致大量入射波在材料表面被直接反射，而无法顺利穿透并深入内部被有效耗散。这一单纯依靠提升材料本征属性所陷入的“强反射、弱吸收”瓶颈，深刻凸显了后续引入超表面结构进行宏观场域调控与阻抗优化的迫切性。

图2. PDMS/FCI 复合材料的电磁特性及电磁波吸收性能仿真模拟。

III 破局与重构：双层耦合超表面对低频吸收的精准调控

本研究结合全波电磁仿真与遗传算法(Genetic Algorithm)优化，系统揭示了不同拓扑构型的亚波长耦合(如方环、方形与方形开口环)对低频电磁波响应特性的调控机制。双层超表面阵列发挥了关键的“破局”作用：其通过在亚波长尺度的层间强近场耦合，重构了材料内部的空间电磁场分布，有效诱导入射电磁能量在特定几何边界处高度局域化；同时，该透射型超表面不仅成功替代了传统的金属全反射层，还完美兼容了具有一定方阻(Rs = 5 Ω/sq)的柔性导电薄膜，从而在不增加物理厚度的前提下大幅优化了阻抗匹配。得益于此，在仅 3.78 mm的极薄尺寸下，基于方环超表面的 CMFAC 成功实现了对 0.95–1.81 GHz 频段的高效吸收。极化与入射角分析则从空间适应性角度揭示了更深层的影响：在斜入射条件下，配置了耦合超表面的级联结构凭借出色的局域场增强效应，在 TE 极化(50° 以内)和 TM 极化(70° 以内)下均维持了优异的宽角吸收稳定性。相比之下，采用柔性电阻膜的构型不仅吸收性能完全可比肩理想电导体(PEC)，表明局域场增强与场耗协同是突破低频超薄吸波极限的核心物理机制。

图3. CMFAC的结构设计及电磁波吸收性能对比。

IV 场耗协同的“微观引擎”：局域场增强驱动的高效能量耗散

深入探究微观电磁场分布规律，是揭示该级联复合材料卓越吸波性能的核心。本研究结合多物理场仿真，系统剖析了双层超表面的“局域场增强”及其与磁性基底间的“场耗协同”机制。强烈的层间近场感应发挥了关键的“能量放大与锚定”作用：当电磁波入射时，顶层与底层超表面之间产生强烈的电磁耦合，在亚波长间隙内构建了高度互联的三维交变磁场。这一耦合效应使得局域电磁场在超表面特定几何区域被放大，其局部电场强度和磁场强度分别跃升至初始入射场强的近 3 倍和 4 倍。如此高密度的局域电磁场直接作为“微观引擎”，强力激活了相邻高损耗磁性基底内的极化弛豫与涡流损耗。更为精妙的是，双层超表面上反向流动的表面电流激发出相互抵消的反转磁偶极子，不仅有效抑制了远场散射，更将电磁能量牢牢“锁固”于微观结构内部。这种局域场剧烈增强与多模态能量耗散的深度协同，实现了入射电磁能量的高效转化，彻底夯实了超薄低频吸波材料的物理基础。

图4. CMFAC场分布及损耗特性仿真模拟。

V 理论与实战的闭环：柔性可级联架构的性能验证与机制全貌

为验证多物理场仿真的可靠性与该策略的实际工程可行性，本研究成功制备了大尺寸的 CMFAC，并对其进行了自由空间法测试。实验与仿真结果展现出了高度的吻合度：在引入超表面阵列后，仅 3.78 mm厚的 CMFAC 在 1.77–2.85 GHz频段内的电磁波吸收率突破 90%，相较于纯磁性基底实现了高达 165% 的性能飞跃，充分证实了局域场增强对低频吸收的巨大推动力。同时，得益于 PDMS/FCI复合基底与导电薄膜的优异耐久性，该材料在经历 50 次循环弯折后，其出色的吸波性能依然稳定，展现出优异的结构稳定性与力学柔韧性，完美契合了复杂装备蒙皮的共形应用需求。在与目前极具代表性的 14 种前沿低频吸波材料的全面量化对比中，该 CMFAC 在极小的等效厚度下实现了更低的有效吸收频率，其“超薄且高效”的核心优势被彻底凸显。

图5. 实验验证及电磁波吸收机制。

VI 宏观隐身潜力的实证：全向雷达散射截面(RCS)的高效缩减

为进一步评估CMFAC的实际工程潜力，本研究对标准尺寸平板在 -90° 到 90° 入射角范围内的RCS进行了系统的全空间电磁仿真。三维远场散射结果直观地展现了微观机制向宏观隐身性能的成功转化：与 PEC 和未引入超表面的 PDMS/FCI 复合材料相比，引入超表面结构的 CMFAC 均实现了显著的 RCS 缩减。特别是基于方环超表面的 CMFAC，在1.46 GHz的正入射条件下，其 RCS 较 PEC 板大幅降低了超过 10 dB，较PDMS/FCI 复合材料也下降了超过 7 dB，确凿地证实了超表面结构在增强低频电磁波吸收中的决定性贡献。不仅如此，该级联架构在旁瓣抑制方面同样表现出众，在 ±40° 的广角范围内，其旁瓣散射能量均被有效削弱了约 10 dB。这种优异的全向 RCS 缩减能力与出色的旁瓣抑制效果，充分验证了该超薄架构在构筑无死角雷达隐身平台方面的巨大工程价值。

图6. CMFAC 对雷达散射截面的缩减能力仿真模拟。

VII 复杂曲面的工程验证：下一代共形隐身技术的破局点

为了跨越从理论探索到实际工程应用的鸿沟，本研究将CMFAC共形于典型的飞行器前缘结构(长 2000 mm，底宽 600 mm，高 400 mm)表面，进行了极具实战意义的电磁隐身验证。在 ±90° 方位角范围内的单站RCS仿真中，共形包裹了仅 3.78 mm厚 CMFAC 的前缘结构展现出了电磁衰减优势。特别是在 0° 正入射方向，其 RCS 缩减量飙升至惊人的 24.75 dB，远场散射能量沿入射方向被极其强烈地削弱。这一结果不仅彻底攻克了传统吸波材料在复杂曲面上性能急剧衰退的工程顽疾，更展示了该“场耗协同”策略在下一代共形隐身与电磁兼容装备中的巨大应用潜力。

图7. CMFAC机翼前缘应用及远场特性仿真模拟。

VIII 总结

本研究为开发兼具低频高效吸波、超薄物理厚度与卓越机械柔性的超表面复合材料建立了创新设计框架。展望未来，这种基于场-耗协同设计的“局域场增强”策略在下一代共形隐身、先进航空航天蒙皮及国防安全等尖端领域展现出巨大潜力，尤其是超表面阵列特有的可控透射与纵向级联特性，为彻底破除传统低频吸波体的物理厚度瓶颈、发展结构功能一体化设计开辟了广阔前景。未来，通过算法驱动优化拓扑异质结构、开发针对不同高隐身需求部件的定制化共形体系，以及探索多光谱(微波、红外、激光、可见光)协同隐身和智能柔性电子的多功能集成，将有力推动集高效电磁管理与卓越柔性共形于一体的下一代智能防护平台的全面发展。

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