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　　繼2018 年11月17日方岱寧院士研究團隊在著名材料學期刊 《先進功能材料》（Advanced Functional Materials, 2018, 1806383.）報道化學電源系統(tǒng)反向設(shè)計的電化學-力學-光學耦合仿生變色器件之后，11月27日，國際頂級綜合性期刊《尖端科學》 Advanced Science, 2019, 1902162（期刊IF="15.804）在線報道了該研究團隊最新的化學電源系統(tǒng)反向設(shè)計成果：首次基于透明化學電源電解質(zhì)（第二類導體）設(shè)計多層光學可調(diào)電磁隱身結(jié)構(gòu)(Ionic" Conductive Gels for Optically Manipulatable Microwave Stealth Structures)。

　　光波透射結(jié)構(gòu)和作用窗口因為具有獨特的功能而在工業(yè)中廣泛的應用引起了業(yè)界的關(guān)注，追求智能技術(shù)、智能結(jié)構(gòu)及智能窗口可以隨著外界環(huán)境變化呈現(xiàn)出唯一變量。5G通信技術(shù)（頻段I: 0.45–6 GHz; 頻段II: 24.25–40 GHz 或更高)）的應用對電磁防護提出了更高的要求。結(jié)合智能調(diào)控功能的微波隱身結(jié)構(gòu)具有很高的研究應用價值，同時實現(xiàn)微波吸收和光波透射成為智能微波隱身結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。通常設(shè)計中，主要采用第一類導體（電子導體）設(shè)計透射率不可調(diào)控的隱身結(jié)構(gòu)。第二類導體（離子導體），更多是在化學電源電解質(zhì)中使用，而其本征優(yōu)異的離子極化以及離子電導特性，能夠賦予凝膠有效的極化損耗以及電導損耗，這類導體很少被電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究學者關(guān)注。

圖1 光學透明凝膠及透明多層結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備與表征：(a)室溫下光學透明多層隱身結(jié)構(gòu)；(b) 不同凝膠在紫外可見光范圍內(nèi)的透射光譜；(c)不同凝膠的制備配比；(d) 不同凝膠的黏度測試；(e) 不同凝膠的介電常數(shù)實部；(f) 不同凝膠的介電常數(shù)實部。

　　本研究團隊首次基于第二類光學透明導體，離子導體為極化以及損耗介質(zhì)，采用水溶性聚乙烯醇作為吸波材料，研究水相聚乙烯醇基凝膠的微波吸收機理表明高極性水分子在介質(zhì)損耗方面對電磁波的衰減起著至關(guān)重要的作用（如圖1所示）。同時，加入具有羥基官能團和磷酸分子的聚乙烯醇聚合物，使水分子以交聯(lián)氫鍵網(wǎng)絡的形式具有一定的流動性。當溫度降低到零度以下時，聚乙烯醇水溶液中的凝膠會變成多晶，從而形成具有散射光波能力的不透明凝膠。這種光學特性因為水溶性聚乙烯醇基凝膠具有溫度依賴的結(jié)晶變換能力而發(fā)生改變。對復介電常數(shù)的研究表明液態(tài)和固態(tài)相的聚乙烯醇基凝膠極性分子對電磁波有不同的敏感度，其中液態(tài)相對于電磁波更加敏感從而產(chǎn)生更多的介電損耗，而半固體凝膠相因為具有更多牢固的氫鍵網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，在電磁場中極化程度會被抑制，實現(xiàn)電磁參數(shù)的調(diào)控。

圖2 基于光學可切換透明凝膠的300 X 300 mm2多層結(jié)構(gòu)設(shè)計與弓形法實測：基于最優(yōu)凝膠采用(a)單層凝膠與(b)雙層凝膠設(shè)計多層結(jié)構(gòu)的功率損耗密度分布；(c)采用單層凝膠與(d)采用雙層凝膠的多層隱身結(jié)構(gòu)優(yōu)化；(e)弓形法實測多層透光隱身結(jié)構(gòu)；(f) 仿真設(shè)計結(jié)果與弓形法實測結(jié)果對比。

　　通過篩選性能最優(yōu)凝膠，通過多層透明結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種基于離子導體水凝膠的高透電磁隱身結(jié)構(gòu)，通過建模仿真與參數(shù)迭代優(yōu)化獲得了具有寬頻隱身特性的多層結(jié)構(gòu)（圖1）。基于優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，構(gòu)建了具有多層光學透明的寬頻隱身結(jié)構(gòu)，通過弓形法實測與仿真結(jié)果對比，驗證了設(shè)計的電磁隱身結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的寬頻電磁隱身特性。同時，溫度可調(diào)控的氫鍵網(wǎng)絡實現(xiàn)光透明與不透明的切換（圖3），并且在寬溫度下均能保持優(yōu)異的離子電導率，將凝膠電導損耗維持在一個較穩(wěn)定的溫度范圍。在光透射率切換的同時，該結(jié)構(gòu)的有效隱身頻率范圍(15-40 GHz)能夠覆蓋5G通信頻段中的頻段II部分，不僅通過拓展第二類透明導體，集成微波吸收和光波透射功能的新型光學結(jié)構(gòu)取得了新突破，同時還為開發(fā)新型可調(diào)控功能微波隱身結(jié)構(gòu)及智能光學結(jié)構(gòu)提出了新思路。

　　圖3 不同透光狀態(tài)下的多層隱身結(jié)構(gòu)進行性能實測：(a)室溫下光學透明多層隱身結(jié)構(gòu)；(b) -20攝氏度下光學不透明多層隱身結(jié)構(gòu)；(c)使用單層凝膠的多層隱身結(jié)構(gòu)的常溫透明狀態(tài)下實測電磁隱身性能；(d) 使用單層凝膠的多層隱身結(jié)構(gòu)的-20攝氏度下非透光狀態(tài)下實測電磁隱身性能；(e) 使用雙層凝膠的多層隱身結(jié)構(gòu)的常溫透明狀態(tài)下實測電磁隱身性能；(f) 使用雙層凝膠的多層隱身結(jié)構(gòu)的-20攝氏度下非透光狀態(tài)下實測電磁隱身性能；(g)溫度調(diào)控的透光實驗驗證；(h) ?20~30 °C下凝膠的離子電導率。

　　該研究工作在先進結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院首席科學家方岱寧院士指導下，陳明繼副教授、陳浩森副教授、雷紅帥副教授、宋維力副教授（一作）等共同合作完成。完成單位包括北京理工大學先進結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院（第一完成單位）和中國科學院空間應用工程與技術(shù)中心。

　　文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201902162