近日，香港城市大学吕坚院士和西北工业大学李贺军院士团队提出了一种4D打印超材料设计新范式。该研究打破了传统材料“制造即定型”的束缚，利用4D打印赋予材料自主响应外界刺激的能力，实现了对电磁波从静态吸收向动态调控的跨越。相关成果以“4D Printing of Hierarchically Porous Carbon-Supported High-Entropy Ceramic Metamaterial for Tunable Microwave Absorption”为题发表于Science Advances，论文第一作者为香港城市大学冯广辉博士，通讯作者为香港城市大学吕坚院士和西北工业大学李贺军院士。
研究背景
无论是捕捉遥远的太空信号，还是部署密集的5/6G毫米波网络，精准调控电磁波已成为提升系统性能的核心使能技术。在空天探索领域，装备需在多源电磁干扰下保障星地与星间链路的信号完整性与抗截获能力。在5/6G通信场景中，随着频段向毫米波拓展，频谱密度呈指数级增长，信号之间极易互撞。因此，为了在复杂的电磁环境中维持信号纯净度，系统必须具备对电磁能量的动态管理能力。
传统的吸波材料受限于“制造即定型”的范式，其介电常数/磁导率特性及结构谐振模式，在加工完成后便被锁定。面对空天任务中频谱资源的动态分配和地面通信基站不断切换频点的复杂工况，这种“静态”材料与“动态”需求之间的矛盾，导致电磁干扰抑制不足、信号不纯等问题，已成为智能通信与探测系统的瓶颈。因此，亟需研发能够根据外界刺激进行自主构型演变的智能材料体系。
研究成果
为解决这一难题，团队研发了一种新型
复合材料：先在多孔
碳材料内部“植入”高性能陶瓷颗粒，再将其集成至形状记忆弹性体，最后借助“直写式3D打印”技术制备预定义的二维图案。在可控的热刺激下，这些二维图案可遵循预设路径自发演化为复杂的三维构型。这一策略有效克服了传统直写式3D打印技术在构建复杂空腔结构方面的局限性，显著提升了超材料的几何设计自由度与结构复杂度。
在此过程中，构型转变诱发了宏观空腔共振与微观界面极化之间的协同效应，显著提升了超材料的电磁波吸收性能，其有效吸收带宽可达14.16 GHz。更重要的是，在热刺激诱导下，构型的持续演变使超材料吸收峰值在5.24-18 GHz范围内动态可调。换言之，该超材料可根据外界干扰信号的频率变化，实时调整自身电磁响应状态，从而完成由“静态响应”向“动态调控”的跨越。这种构型变化驱动的动态调节机制，有望解决高频设备在多变频条件下的电磁干扰管理难题，进而提升通信终端在复杂电磁环境中的信号稳定性。
图文简介
图1.4D打印电磁波吸收超材料概览
图2.异质孔隙碳负载高熵陶瓷复合材料成分及结构表征
图3.异质孔隙碳负载高熵陶瓷复合材料电子结构表征
图4.异质孔隙碳负载高熵陶瓷复合材料电磁响应特征
图5.超材料结构设计及性能表征
图6.超材料电磁波吸收机理
结论与展望
除电磁调控性能外，该材料体系还展现出极高的结构可编程性，能够实现从手性螺旋、承载点阵晶格到复杂折纸拓扑几何的精密构筑。这种高设计自由度与多尺度成型能力，赋予其在空天探测、5/6G射频前端以及精密医疗电磁防护等关键领域巨大的工程应用潜力。
这项研究让吸波材料从“一成不变”进化到“灵活应变”。它不仅开辟了电磁管理新路径，更为下一代智能防护系统筑起了科学底座。可以预见，未来的超材料将不再是冰冷的零件，而是能够感知和变形的智能守护者。
主要作者介绍
吕坚院士(通讯作者)：法国国家技术科学院(NATF)院士、香港工程院院士、香港城市大学工学院院长、机械工程系讲座教授、国家
贵金属材料工程研究中心香港分社理事、先进结构材料中心主任。研究方向结构与
功能材料的设计及增材制造，图灵及高熵合金催化剂在电解水制绿氢及燃料电池与
污水处理，超高灵敏度表面增强拉曼光谱(SERS)及在心脑血管疾病早期快速诊断，环保，食品安全等领域的应用。中科院首批海外评审专家，中科院沈阳金属所客座首席研究员，东北大学、北京科技大学、南昌大学名誉教授，西安交通大学、西北工业大学、上海交通大学和西南交通大学顾问教授，中科院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院(NATF)选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。已取得84项欧、美、中专利授权，在本领域顶尖杂志Nature(封面文章)、Science、Nature Materials、Science Advances、Nature Communications、PRL、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Angew. Chem、JMPS、Acta Materialia等专业杂志上发表论文580余篇，引用五万余次。
个人主页：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian
李贺军院士(通讯作者)：中国工程院院士、亚太材料科学院院士、西北工业大学材料学院教授、博士生导师，国家自然科学基金委创新研究群体(连续三期)负责人，超高温结构复合材料重点实验室主任，中国复合材料学会副理事长，中国材料研究学会常务理事。长期从事碳/碳复合材料、抗氧化/烧蚀涂层、
碳纤维增强纸基与金属基复合材料等研究工作，是国内C/C复合材料及其抗氧化涂层研究方向的主要学术带头人之一。获国家自然科学二等奖1项、国家技术发明二等奖3项、国家教学成果一等奖1项、二等奖1项，省部级一等奖8项，二、三等奖7项。曾先后获第二届全国创新争先奖、首届全国“最美科技工作者”、全国模范教师、第十六届中国炭素杰出成就奖、全国百篇优秀博士论文指导教师等荣誉称号。
个人主页：
https://teacher.nwpu.edu.cn/lihejun.html
冯广辉(第一作者)：现香港城市大学博士后(导师：吕坚院士)，博士毕业于西北工业大学(导师：李贺军院士)。研究方向聚焦于新型C/C复合材料超高温氧化/烧蚀防护体系开发及增材制造
陶瓷基复合材料结构-功能一体化研究。曾获陕西省优秀毕业生、陕西省优秀博士学位论文等荣誉称号。迄今为止发表SCI论文30余篇，申请/授权中/美专利4项，总被引逾 1100 次，H 指数 21，其中以第一作者身份在Science Advances, Advanced Functional Materials, Journal of Materials Science & Technology, Corrosion Science, Journal of the European Ceramic Society, Ceramics International 等期刊发表学术论文17篇。个人主页：https://scholar.google.com/citations?hl=zh-CN&user=BIaT7loAAAAJ.
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