自然之鉴—仿生微波吸收材料的进展与前景（一）

研究背景

受到自然生物进化出的复杂形态和细微结构的显著电磁响应能力的启发，仿生吸波材料表现出巨大的应用潜力。源于对自然界生物结构的深入研究，这类材料在军事隐身技术、通信干扰抑制等领域具有广泛的应用前景。通过模仿生物体的精妙结构，仿生微波吸收材料不仅实现了微波能量的高效吸收，还克服了传统微波吸收材料在柔性和适应性方面的局限，推动了微波吸收材料技术的进一步发展。

本文亮点

1. 详细介绍了仿生物体的分类、仿生吸波材料在今后将带来的多样化影响和应用。

2. 从海洋生物、昆虫、植物到动物，不同的仿生对象，系统地介绍了仿生微波吸收材料的多功能应用，从微波吸收到防腐，再到机械、电子、可穿戴设备等。

3. 讨论了仿生微波吸收材料的理论基础和仿真计算。

内容简介

仿生微波吸收材料，源于自然生物结构的精妙启示，致力于探索高性能微波吸收材料的新途径。通过模仿生物微观结构，结合先进材料科学，实现高效微波吸收，为军事隐身、通信防护等领域带来革新，展现出广泛的应用前景和科研价值。受自然界生物复杂形态和微妙微观结构演化出的卓越电磁响应能力的启发。

重庆大学张育新教授，陆军勤务学院刘晓英教授等人深入探讨了仿生微波吸收材料(BMAMs)的研究进展和未来应用潜力。文章阐述了通过巧妙的微观结构设计和合理的成分选择来实现高性能微波吸收材料的重要性，同时强调了仿生制造所提供的创新策略。此外，本文详细分析了如何从海洋生物、植物、动物以及自然界中的非金属矿物等复杂结构中汲取灵感，来设计和开发具有卓越电磁波(EMW)吸收性能的BMAMs。此外，本文还深入探讨了BMAMs的理论基础，特别是宽带吸收方面的最新突破。通过采用仿真建模和仿生梯度设计等先进方法，揭示了BMAMs微波吸收机制的科学原理，从而为理解和优化其性能提供了坚实的理论基础。最终，这篇综述旨在为相关领域的研究人员提供有价值的见解和灵感，促进BMAMs研究的共同进步。

图文导读

I 仿生材料的仿生机理

如图1所示，仿生灵感的对象包括多种生物体，从动物和植物到人体器官。仿生学主要通过结构仿生学和功能仿生学两个方面来达到其目的。结构仿生学包括复制生物体的宏观或微观结构，以达到意想不到的目的。与此同时，功能仿生学模仿生物体固有的机械、光学、声学、电气和磁性能力。例如，由蜡质材料组成的荷叶上的微纳分层“乳突”结构，使其具有超疏水和自清洁特性。此外，变色龙体内鸟嘌呤颗粒的周期性排列形成天然光子晶体，呈现出动态颜色范围，说明了功能仿生的丰富性和复杂性。此外，值得注意的是，化学成分在仿生学中也起着关键作用，因为它经常决定生物结构的独特性质和功能。通过了解和结合天然材料的化学成分，研究人员可以开发具有增强性能和新功能的人工系统。

图1. 仿生材料的仿生机理。

如图2所示，如果将各波段的频率由低到高排列，分别为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线和伽马射线。频率为300 MHz-300 GHz的EMAs称为微波，属于无线电波的高频段。根据吸收机理，MAMs的吸收剂主要分为介电型、磁介质型和电阻型。MAMs的工作原理如图2(b)所示。当入射EMW照射到MAMs表面时，它们会被反射、吸收或透射。性能优异的MAM应满足两个必要条件：第一，尽可能多地允许EMW进入材料，即适当的阻抗匹配；其次，进入材料的EMW应尽可能地耗散，即所谓的衰减特性。如何在原有的基础上进一步提高MAMs的性能是一个无法回避的话题。

图2. (a)不同波段对应的频率、波长及其应用；(b) MAMs的吸收机理；(c)不同的生物表面功能基；(d)仿生学与MAMs结合示意图；(e)仿生原始尺度设计示意图。

II 功能仿生学示例

如何将生物的先天功能或结构与微波吸收结合起来是一个难题。如图3和图4所示，图3介绍了功能仿生学的例子，如竹子的单位结构可以衍生为多层结构的MAMs，人鼻孔的过滤可以衍生为EMW的吸收。图4为结构仿生学。生物表面的微观或宏观结构为实验提供了创作灵感，如松枝的针状结构，荷叶的多孔结构，海胆的发散结构。生物材料的天然优势为研究人员带来了广泛的材料。

图3. 功能仿生学示例。

图4. 结构仿生学示例。

III 各类仿生微波吸收材料实例

近年来，纳米技术的进步极大地促进了海洋生物仿生微波吸收材料的研究。受到鳗鱼和章鱼等海洋生物出色的隐身能力的启发，研究人员成功制备了多种结构相似的微波吸收材料。这些材料通过模仿海洋生物的光敏机制，在材料表面构建纳米阵列，形成仿生微结构，从而实现对EMW的高效吸收。这些仿生船用MAMs不仅可以显著降低雷达和红外探测中的反射信号，还可以提高军事装备的隐身能力，并且具有良好的耐腐蚀性，特别适用于海洋环境。其优点是重量轻、有效吸收带宽(EAB)、吸收性能好、耐候性强、抗老化、防潮、耐压、长期使用、无毒、环保。这些进展为仿生吸波材料的开发和应用提供了新的方向和思路。

图5. (a)海胆层状仿生吸波材料的机理与性能；(b)海星C/CoNiO的SEM图像；(c)仿生龙虾壳EMW吸收器；(d)多层N/C交替气凝胶的设计、制备和表征；(e)天然珊瑚电磁隐身的综合复合材料模拟活力图；(f)复合材料的太赫兹和红外光谱隐身性能及适应性KTNO和KTNO/rGO纳米复合材料的电化学和机理分析

但目前微波隐身材料的可扩展性不足，限制了其应用范围。为了克服这一挑战，科学家们从穿山甲身上获得灵感，提出了一种基于软硬连接策略的新型微波吸收材料。传统的微波吸收结构和体积吸收结构存在拉伸的局限性，限制了它们在可变形或异形目标上的应用。为了克服这些限制，受穿山甲启发，提出了一种概念新颖的软-刚性连接策略。

图6. (a) PIM具有优异的机械变形能力；(b)球形圆顶和鞍形表面的装置的吸收能力；(c)具有优异宽带吸收性能的仿生超材料设计思路图；(d)作为微吸收超材料的仿生蛾复眼微观结构；(e)真实蛾眼表面微观结构的扫描电镜图；(f)甲虫翼鞘颜色随环境湿度的变化及翼鞘结构示意图；(g)双宽带可调电磁吸收网格结构设计示意图；(h)模拟变色龙双宽带可调电磁吸收网格结构设计示意图。