Nano-Micro LettersYuheng Jiang, Zihao Chen, Xiao Sun*, Haotian Li, Jinlong Xie, Yueting Li, Xiaolei Nie, Feng Lan*, Yaxin Zhang*, Qiye Wen*
Nano-Micro Letters (2027)19: 13
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02312-7
1. 流变学工程破解羰基铁粉油墨打印难题：针对羰基铁球形粒子支撑网络脆弱、浆料易沉降、挤出困难等难点，构建油墨组分、流变参数与打印性能的关联关系；以片状石墨烯重构颗粒支撑骨架，既形成介电损耗通道，也保障高负载复合油墨的稳定打印。
2. 基于3D打印实现超宽带电磁吸波结构：利用墨水直写3D打印技术构筑梯度蜂窝吸收结构，基于磁电协同损耗、梯度阻抗匹配和多级散射，实现了18 GHz–4 THz连续有效吸收；在2.6 mm厚度下，太赫兹频段最小反射损耗(RLₘᵢₙ)达到−84.30 dB。
3. 器件级原位集成与电磁兼容应用：将吸收结构原位集成于太赫兹智能反射超表面(RIS)，使其主瓣增益提升约3.3 dBi，旁瓣抑制1.9–3.3 dB，镜面反射波束宽度缩减约58%。
无线通信、雷达探测与射电天文向毫米波和太赫兹频段拓展，带来更高的空间分辨率和更精细的成像能力。然而，传统微波模块与毫米波/太赫兹器件共存时，跨频段寄生反射、边缘散射和系统级电磁兼容问题也随之增加。新一代电磁吸收材料需要兼顾跨频段强衰减，以及薄型、柔性、共形和异质结构集成。
梯度、异质和共形吸收结构依赖毫米/亚毫米尺度的几何与组分调控。传统模板、热压和模压工艺主要用于简单结构，在精细梯度构筑和器件表面原位集成方面受到限制。墨水直写(Direct ink writing，DIW)3D打印可无模具构筑梯度蜂窝、异质结构和局部吸收单元，为材料损耗、阻抗匹配与器件形态的协同设计提供制造基础。
羰基铁粉(CIP)是GHz频段重要的软磁损耗填料，高含量CIP为跨频段吸收提供低频衰减基础。然而，CIP密度高且颗粒呈球形，容易沉降和发生时间依赖性重排；填料接近堆积极限时，黏度与屈服应力陡增，容易引发喷嘴堵塞和挤出失稳；沉积后的颗粒网络承载能力有限，容易产生铺展、蠕变和层间塌陷。
稳定的DIW 3D打印过程要求油墨在喷嘴内充分剪切变稀，在沉积后快速恢复弹性网络，并在长时间打印中保持抗沉降稳定。此外，现有研究仍缺少把材料组分、流变响应、打印保真度与打印结构的时间稳定性定量联系起来的工程框架，打印窗口因而常依赖经验试错。如何以流变学工程设计黏弹行为可预测的高负载功能油墨，并将其转化为宽频吸收结构，是本研究要解决的核心问题。
针对上述问题，电子科技大学文岐业、张雅鑫等人以高负载CIP油墨的稳定3D打印为主线，采用PDMS作为基体，引入石墨烯调节流变性能并提供电损耗。石墨烯片层嵌入球形CIP之间，重构颗粒支撑网络和导电损耗通道。屈服模型与沉积稳定判据进一步连接组分、剪切变稀、触变恢复、屈服应力、储能模量和打印保真度，获得兼顾连续挤出与层间承载的Gr/CIP复合油墨。
通过打印孔径沿厚度方向变化的梯度蜂窝吸收器，并增加低频网格匹配层，实现了18 GHz–4 THz连续有效吸收。吸收结构随后原位集成于太赫兹可重构智能表面周边，用于抑制寄生反射、改善波束质量，并验证毫米波成像和目标散射控制能力。整项工作贯通材料配方、流变工程、结构设计、宽频吸收和器件级电磁兼容。
I 流变工程拓宽高负载磁电复合油墨的打印窗口
流动扫描显示，各Gr/CIP/PDMS(GC)油墨的黏度均随剪切速率升高而明显下降。提高石墨烯比例可增强低剪切黏度和网络强度，高剪切则会破坏网络结构并降低挤出阻力。交替剪切测试中，黏度在高剪切阶段迅速下降，回到低剪切后快速恢复，并在180 s内恢复超过95%。振幅应力扫描还显示，低应力区内的储能模量高于损耗模量，油墨呈现弹性网络主导特征；达到屈服点后，油墨转入流动状态。上述响应表明油墨均能在高剪切挤出与低剪切加载之间实现可逆切换。
进一步把储能模量、屈服应力与毛细铺展和自重变形对应的稳定阈值联系起来，建立兼顾可挤出性与沉积保形的流变窗口。处于该窗口内的油墨可稳定打印复杂二维线路、三维堆叠结构，并可在金属金字塔表面完成共形制造。颗粒网络调控、流变响应和成形验证，构成了完整的高负载磁电复合油墨DIW 3D打印路径。
图1. GC系列油墨的流变行为与DIW 3D打印可行性：(a)Gr/CIP-PDMS颗粒网络与原位打印；(b-e)剪切变稀、触变恢复及沉积稳定判据；(f-g)二维、三维与共形打印验证。
II 流变特性优化实现二维保真度与三维时间稳定性
本研究通过蛇形丝材融合和网格孔形评价沉积后的x-y平面保真度。随着石墨烯含量增加，丝宽由约1.5 mm逐渐接近0.8 mm设计值，丝高稳定在0.55–0.65 mm，横向铺展和相邻丝材粘连明显减弱。G₁C₃₇.₅–G₄C₀的Pr约为1.0–1.06，Dice约为0.85–0.90；G₀C₅₀的Dice约为0.25，对应明显的孔洞圆化、丝材融合和局部缺失。
多层结构的高度保持用于评价三维时间稳定性。G₀C₅₀网格在沉积后的20 min内持续发生高度损失和蠕变塌陷，G₂C₂₅–G₄C₀则保持接近设计高度。丝材融合、孔形重叠和层间高度呈现一致的配比趋势，说明该流变窗口可同步预测连续出丝、二维分辨率和三维堆叠稳定性。
图2. GC油墨的打印保真度评价：(a-b)液滴/连续丝材转变；(c-g)丝材融合、孔形及二维保真度；(h-j)多层堆叠的高度保持与时间稳定性。
孔径沿厚度方向连续变化，形成等效阻抗梯度并促进电磁能量进入结构内部。电磁波在蜂窝腔体中经历多次折射与散射，传播路径随之延长。层级过渡同时调节阻抗匹配和结构散射，将3D打印的几何自由度转化为宽频吸收能力。
材料内部，羰基铁微球分散在石墨烯片层网络和PDMS基体中，形成丰富的异质界面。石墨烯网络和片层间微电容贡献导电与极化损耗，CIP提供磁损耗。材料尺度的磁电协同衰减与蜂窝尺度的梯度匹配和多级散射协同作用，共同形成宽频吸收。
图3. GCH梯度蜂窝的形貌与吸收机制：(a)H0–H4梯度单元及打印形貌；(b-c)Gr/CIP网络；(d)梯度散射、导电/极化损耗与磁损耗的协同作用。
图4. GCH的宽频电磁吸收性能：(a-b)THz-TDS测试；(c-e)0.2–1.2 THz吸收；(f-h)W波段响应；(i)18 GHz–4 THz连续覆盖；(j)与代表性吸收器对比。
器件验证还覆盖毫米波成像与目标散射。120 GHz雷达成像实验中，未覆盖GCH的金属模型在机身边缘、转角和结构突变处出现强散射亮区；覆盖GCH后，这些区域明显减弱。30 GHz水平极化仿真中，GCH-ML/PEC典型隐身结构在各方位角均呈现更低的散射强度，RCS最大降低21.4 dBsm。
上述结果完成了从材料吸收指标到器件级电磁兼容的闭环验证。可3D打印的宽频吸收结构能够原位净化RIS周边电磁环境，也可作为局部化、模块化或共形功能层服务于通信、成像和雷达散射抑制。
图5. 3D打印GCH的器件级验证：(a-b)RIS原位集成与寄生反射抑制；(c-f)波束增益及角度响应；(g-h)120 GHz成像；(i-j)30 GHz目标级RCS仿真。
本研究围绕器件级电磁兼容(EMC)需求下，高负载磁电协同吸波材料在结构化制造与集成部署中面临的可加工性与几何可控性难题，提出并验证了一种基于流变学工程的直接墨水书写(DIW)设计与制造策略。通过引入Gr重构颗粒网络，形成了多维协同承载网络，在不依赖化学交联或低载荷配方的前提下，实现了高负载油墨剪切变稀行为、屈服特性与结构恢复能力的协同增强。基于屈服模型与沉积稳定判据，建立了油墨组成—流变响应—可打印性之间的定量关联，明确了流变窗口对挤出成丝、二维几何保真度及三维时间稳定性的预测能力。
本文通讯作者
▍主要研究成果
▍Email：qywen@uestc.edu.cn
本文通讯作者
▍主要研究成果
▍Email：zhangyaxin@uestc.edu.cn
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