行业新知丨一块陶瓷如何兼顾吸波与隔热？新型陶瓷超材料研究，IF 19.9

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一块陶瓷，能不能同时吸收电磁波，又减少热量传递？这对材料提出了两种不同的要求：吸波需要电磁波进入材料内部，并通过介电损耗、导电损耗等方式消耗能量；隔热则需要尽可能降低热量传递。西北工业大学团队在《Advanced Functional Materials》（IF 19.9）发表的一项研究，尝试通过材料组成与三维结构设计，让多孔陶瓷同时具备这两种性能。具体做法是：在陶瓷前驱体中加入空心玻璃微球，利用热解过程形成多孔结构和界面导电碳层，再结合 Schwarz P 周期结构改善电磁波在材料内部的传播与耗散。最终，10 mm 厚的样件在 50° 入射条件下实现了 35.58 GHz 的有效吸收带宽，热导率为 0.208 W/(m·K)。

一、吸波和隔热，为什么很难同时做到？

雷达隐身、通信抗干扰、高热流环境下的器件防护，三者的需求常常落在同一件构件上。吸波依靠把电磁能转化为热耗散，隔热依靠阻断热流，单独实现时都有成熟做法；一旦要求在同一件样件上同时满足，厚度、重量与工艺便相互制约。

电磁波若在表面就被反射，内部的损耗能力再强也无从发挥，吸波的第一道关因此是阻抗匹配：表面阻抗须与自由空间接近。过了这一关，才轮到介电损耗与导电损耗把进入材料的能量消耗掉；而提高介电常数有利于后者，却会加剧界面反射，让真正进得去的波变少。隔热要处理的则是热量的三条去路：陶瓷骨架的固体传热、孔内气体的对流与传导、高温下的热辐射。多孔结构对两方面都有利，但孔隙率一高，强度与光固化又会受损，可用窗口因此很窄。

二、空心微球加进去，紫外光反而穿得更深

研究选用可自光固化的聚硼硅氧烷作基体，紫外照射即可交联；热解之后它转化为硅硼氧碳（SiBOC）陶瓷，耐温能力由这一相提供。光固化陶瓷的成形依靠投影把每层图案打在浆料上，而浆料中粉体含量高、散射强，掺入填料通常会降低固化深度——这是这一工艺长期存在的限制。

图1 · 制备路线：由单体制得可自光固化的 PBSO，混入空心玻璃微球后 DLP 打印，一步热解得到 SiBOC@石墨烯@HGM 多孔陶瓷

按 40 至 70 wt% 掺入空心玻璃微球，在 6 mW/cm² 的光强下曝光 4 s，固化深度由无微球时的约 150 μm 升至 215 μm。论文的解释是，紫外光在玻璃壳内与相邻微球之间反复散射、反射，未被显著吸收；而微球又占去了一部分可固化树脂的体积，同样厚度的一层中吸光分子减少，光衰减因此放缓。代价是转化率略降，70 wt% 时仍接近 70%。

掺量继续提高，会先碰到浆料黏度这一项：掺到 70 wt% 时黏度陡增，超出可打印范围，60 wt% 是这一体系的上限。掺量定在这个值上，孔隙率与界面碳层的量也随之确定。

图2 · 打印窗口：(a) 固化深度随微球含量上升；(b) 光聚合前后的双键转化率，由 81.4% 降至 68.1%；(c) 剪切粘度，70 wt% 越过可打印阈值；(d 至 f) 八隅体点阵生坯的表面形貌，单胞 4 mm、杆径 0.70 mm

三、烧完之后，微球留下了孔隙，也长出石墨烯

坯体还只是聚合物与粉体的混合物，须经炉内热解才能成为陶瓷。升温过程中，硼硅玻璃壳先软化，在基体持续收缩的应力下发生塑性变形并重新固化，壳面形成纳米级褶皱；球腔本身保留下来，连成封闭的孔网。微球外径从 13.5 μm 缩到 11 μm，留下的孔径 9.48 μm，孔隙率仍有 40.7%。闭孔内的气体无法对流，陶瓷骨架的连续传热通路也被切断，隔热由此成立。

图3 · 热解后的孔隙结构（样件为八隅体点阵，与后文吸波用的 Schwarz P 不同）：(a 至 c) 支架形貌；(e) 生坯中微球粒径 13.5 μm，(f) 留下的孔径 9.48 μm；(g 至 i) CT 重构的陶瓷相与孔相分布

同一次热解还留下了另一套结构，位置在球壳与基体的交界处。论文提出，微球释放的痕量钙、钠在高温下迁移到这一界面富集，以界面催化剂的形式夺取基体中的氧，驱使无序的碳重排为有序石墨畴。界面高分辨像显示，这层碳的层间距 0.335 nm、共 2 至 10 层，判为少层石墨烯；换成普通二氧化硅微球做对照，同样条件下没有出现这样的有序碳层，钙钠富集区与有序碳在空间上正好对应。研究把这一过程表述为痕量元素介导的催化石墨化，并说明它是基于多尺度表征提出的解释，尚未给出逐步的反应路径。

图4 · 热解带来的变化：(a 至 c) 热重、XRD 与 Raman，碳的有序度随微球含量上升；(d 至 h) 界面处的高分辨像，层间距 0.335 nm 的少层石墨烯；(i) 钙、钠在界面富集

热解留下的两套结构承担的任务并不相同：球壳上的少层石墨烯连成三维导电网络，负责损耗进入材料的电磁波；闭孔负责挡住热流。陶瓷相则决定这套材料能承受多高的温度。

四、做到这一步，带宽停在 8.48 GHz

评价吸波性能，先要分清两个指标：有效吸收带宽指反射损耗低于 −10 dB 的频率范围，对应九成以上入射电磁波被吸收的频段；最低反射损耗则是这段范围内吸收最强的那个点。

60 wt% 的多孔陶瓷在 2 至 18 GHz 内有效吸收带宽 8.48 GHz，最低反射损耗 −43.4 dB。微球降至 40 wt%，带宽只剩 3.92 GHz；掺到 70 wt%，损耗能到 −49.4 dB，带宽却收窄至 7.3 GHz。为什么停在 60 wt%，原因仍是阻抗匹配：论文比较了不同掺量在各厚度、各频率下的匹配状况，60 wt% 落入良好匹配区的比例最高；70 wt% 孔隙率过高、介电常数被拉低，匹配变差。损耗更强不等于吸收更多，能进材料的波变少了。

图5 · 介电与吸波性能：(a)(b) 介电常数与损耗角正切；(c 至 f) 反射损耗的厚度—频率分布，依次为 40、50、60、70 wt%，60 wt% 落在 −10 dB 以内的区域最大

隔热与轻量这一侧，密度 0.313 g/cm³，热导率 0.208 W/(m·K)，比采用相同超材料结构的纯 SiBOC 陶瓷低约 50%；400 ℃ 热台上，表面温度 120 s 升至约 220 ℃，600 s 为 228 ℃。40.7% 的孔隙率下抗压强度 4.86 MPa、比强度 15.53 MPa·cm³/g，论文认为闭孔网络缓解了孔隙率与强度之间的传统取舍。

五、换成 Schwarz P 点阵，带宽推到 35.58 GHz

覆盖常用雷达波段需要更宽的带宽，研究团队因此把材料本身做成了周期结构。选的是三周期极小曲面（TPMS）中的 Schwarz P：一张连续光滑的曲面在三个方向上周期重复，内部形成相互贯通的通道，壁厚均匀、没有直棱。

仿真显示，能量明显集中在结构内部，说明波在通道中经历了多次反射；按体积归一化后，这套结构的功率损耗是同尺寸块体多孔陶瓷模型的 3.51 至 5.23 倍。

实测采用弓形法，样件厚 10 mm。入射角 5° 时，有效吸收带宽 23.21 GHz、最低反射损耗 −40.34 dB；入射角增至 50°，带宽升至 35.58 GHz，落在 4.42 至 40 GHz，最低反射损耗 −59.71 dB。斜入射下结果更宽，论文的解释是入射角增大后有效入射孔径面积扩大、电磁波在结构内的传播光程延长，阻抗匹配与多次散射同时改善。

图6 · Schwarz P 结构（单胞 2.5 mm、壁厚 0.5 mm）：(b) 功率损耗与场分布；(c) 10 mm 厚样件在 5° 至 50° 入射下的反射损耗，50° 时带宽 35.58 GHz；(d)(e) 400 ℃ 热台上的红外热像与热导率

8.48 GHz 与 35.58 GHz 出自不同条件：前者是 60 wt% 材料本体在 2 至 18 GHz、接近垂直入射时的带宽，后者是附加结构后、10 mm 厚、50° 入射的结果。多出来的带宽是结构带来的，不是材料本身在同等条件下的提升。

六、从平板样件到能用的零件，还差哪几步

在高温环境下保持吸波性能，是这项研究需要解决的另一项问题。实验结果显示，800 ℃ 时，材料在 2 至 40 GHz 范围内仍具有 20.88 GHz 的有效吸收带宽，最低反射损耗为 −53.54 dB；在空气中加热至 1200 ℃ 后，失重率为 2.81%。这使其在天线罩、蒙皮及高温电子设备防护等领域具有潜在应用价值。不过，目前论文展示的仍是平板样件，曲面与共形结构上的成形效果，以及不同厚度和入射角度下的性能变化，尚待进一步验证。

此外，陶瓷前驱体需要自行合成，收率为 70%，浆料稳定性和制备工艺也会影响材料的重复制备。微球中钙、钠物种促进界面石墨化的具体反应路径，同样有待进一步研究。这项工作将材料组成设计与三维结构设计结合起来，为兼顾吸波、隔热与耐高温性能的陶瓷材料提供了一种新的设计思路。

论文信息：Sun Y, Liu Y, Yu Z, Xiao R, Huang J, Xu G, He Z, Xing R, Yu Z, Kong J. Printable Architected Porous Ceramic Metamaterials Enabling Electromagnetic-Thermal Coupling. Advanced Functional Materials, 2026, e79451. DOI: 10.1002/adfm.79451

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打印案例丨氧化铝凸台阵列板：密排细孔，整版孔口贯通

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