近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所王振洋团队在多功能电磁波吸收超结构研究方面取得新进展。团队提出了机器学习辅助的“材料—结构—功能”协同设计策略，采用熔融沉积成型（FDM）3D打印技术，将聚酰胺6/碳纤维复合材料（PACF）吸波单元、低损耗纯聚酰胺6（N-PA）间隔层和激光诱导PACF（LI-PACF）功能背板集成一体，构筑出具有多级谐振梯度阻抗的超结构，实现了2-40 GHz宽频、宽角微波吸收，并兼具结构承载和电热除冰能力。相关成果发表于《Chemical Engineering Journal》（Chem. Eng. J., 2026, DOI：10.1016/j.cej.2026.180304）。

传统涂层型吸波材料受限于本征电磁参数和厚度谐振条件，难以同时满足宽频、宽角吸收与多功能集成需求；而多级超结构的强耦合参数又使经验优化效率低下。为此，研究团队以三级PACF截锥单元的三个顶径和三个高度为变量，基于729组仿真数据，建立随机森林、XGBoost、CatBoost和多层感知机（MLP）四类代理模型。四类模型在独立测试集上的决定系数（R²）均大于0.95，平均绝对误差（MAE）均低于1。综合吸收带宽、角度稳定性、结构高度和质量等指标，团队最终确定MLP为优化方案；进一步结合SHAP分析，揭示了不同层级几何参数对宽频吸收、深度吸收和大角度稳定性的主导作用，增强了模型的物理可解释性。

在材料与结构方面，PACF中的碳纤维网络及其与PA6基体形成的异质界面提供传导损耗、偶极极化和界面弛豫；N-PA间隔层调节阻抗过渡和层间耦合。经CO₂激光处理后，PACF表面碳纤维进一步暴露并形成富碳、非均匀界面，不仅增强了介电耗散、损耗反射和面内导电能力，还赋予背板稳定的焦耳热响应。底、中、上三级截锥分别主要响应2-12 GHz、8-24 GHz和18-40 GHz频段，相邻频段重叠形成多级谐振互补；逐级收缩的结构与N-PA间隔层共同构建了梯度阻抗，有利于电磁波进入并在结构内部持续耗散。

优化后结构总厚度为14.7 mm。在正常垂直入射仿真中，反射损耗（RL）低于−10 dB和−20 dB的有效吸收带宽分别为33.8 GHz和24.83 GHz，最小RL为−43.56 dB。5°拱形法实验显示，横电（TE）和横磁（TM）极化下，RL低于−10 dB的带宽均约占2-40 GHz测试范围的89%，RL低于−20 dB的带宽占比分别为65.47%和68.64%。在60° TE斜入射条件下，上述两类带宽仍分别保持在33.01 GHz和17.12 GHz；即便入射角增至75°，RL低于−10 dB的带宽占比仍超过80%，RL低于−20 dB的带宽约为13.4 GHz。

该结构还兼具优异的雷达散射抑制和工程实用性。在2-40 GHz范围内，相比理想电导体板的平均雷达散射截面（RCS）减缩约23 dBsm，在18.6 GHz处最大减缩达46.98 dBsm；共形加载于飞行器模型后，在11.8 GHz俯视和前视区域的平均RCS分别降低24.37 dB和17.66 dB。在力学性能方面，压缩模量约为1.8 GPa，首次峰值压缩强度为129.5 MPa，峰后三点弯曲剩余承载能力约为66.8%。此外，LI-PACF背板在25 V下可升温至约48 ℃并稳定运行900 s，在约0 ℃环境中可于60 s内完全融化厚度为3 mm冰层。

该研究将机器学习优化、多材料介电损耗设计、梯度阻抗匹配、多级谐振与激光界面工程相结合，为复杂服役环境下多功能隐身结构的设计与开发提供了可解释的技术路径。

博士生研究生康子豪为论文的第一作者，席敏副研究员、李年副研究员和王振洋研究员为通讯作者。上述工作得到了国家自然科学基金面上项目和科技部重点研发计划的支持。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472607765X

图1. 基于多机器学习代理模型的吸波结构优化流程。

图2. 超材料吸波体的电磁吸收性能，包括5°等效正入射实验与0°正入射仿真结果的对比、不同入射角下TE/TM极化吸收特性，以及与其他FDM吸波材料的性能比较。

图3. LI-PACF的力学与电热性能，包括三点弯曲和压缩测试、不同电压下的温升响应、长期循环电热稳定性、I–V特性及表面温度与电压平方的拟合关系，以及弯曲状态下的光学与红外热成像结果。