雷达探测、高频通信与集成电子设备的发展，对电磁吸收材料提出了更高要求：不仅要实现宽频吸收，还要尽可能轻量化，并在不同电磁波入射条件下保持稳定性能。
传统磁性碳吸收材料面临一个难题：导电性太弱，电磁波难以充分耗散；导电性太强，又可能导致阻抗失配，使电磁波在材料表面被反射。即使材料本身性能优秀，如果宏观结构设计不合理，最终的吸波表现仍可能受到限制。
辽宁材料实验室团队发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究，将快速焦耳加热、磁性碳材料与机器学习辅助的梯度结构设计结合起来，探索了一条从材料微观调控到宏观结构优化的协同设计路线。
一、快速焦耳加热：调控材料的缺陷、石墨化与磁性颗粒
研究团队以茄子衍生碳为基础，通过快速焦耳加热调控碳材料的结构，再引入FeCo合金颗粒，构建磁性碳复合材料。
碳材料的缺陷、石墨化程度和导电网络都会影响电磁波吸收。缺陷能够提供极化损耗通道，石墨化有助于形成导电网络，而FeCo合金能够提供磁损耗。关键在于，这些因素并不是越强越好。
过度石墨化可能使材料介电响应过强，影响阻抗匹配；长时间高温处理还可能导致磁性颗粒长大或团聚，减少有效界面。
论文报告，样品能够在10秒内升至800—1200℃，随后保温60秒。通过不同温度条件的对照实验，研究团队考察了热处理对材料结构、电磁参数和吸收性能的影响。
焦耳热的价值不只是缩短加热时间，而是提供了一个可调控的热处理窗口，使缺陷、石墨化程度和磁性颗粒分散状态能够共同优化。
二、为什么材料做好之后，还要设计梯度结构？
材料端解决的是电磁波进入吸收体之后如何耗散的问题；结构端则决定电磁波能否顺利进入内部，以及能量在不同位置如何分布。
为此，研究团队引入受蝴蝶C. rubi翅膀层级形态启发的三重周期极小曲面结构（TPMS），并通过随机森林模型与遗传算法优化不同层的相对密度。
优化结果中，顶层、中层和底层的相对密度分别为21%、42%和95%，形成由疏到密的梯度结构。
不同频率的电磁波在结构内部的传播与耗散位置并不相同。梯度结构有助于形成渐进的阻抗过渡，并使不同频段的电磁能量在不同深度得到衰减。
论文中的电场和损耗分布分析显示，主要电场与损耗区域会随频率变化。这说明，结构设计不只是增加材料的复杂程度，而是试图控制电磁波进入、传播和耗散的过程。
三、关键结果：轻量化与宽频吸收如何兼顾？
研究团队首先在材料级测试中验证了焦耳热处理和FeCo引入的效果。论文报告，1000-FeCo样品在1.3 mm厚度下实现6.8 GHz的有效吸收带宽；在10 mm厚度下，1.4—18 GHz范围内的反射率低于−10 dB。
随后，团队将材料用于梯度TPMS结构，进一步验证宏观构型的作用。
论文报告，优化后的梯度TPMS吸收体在总厚度15 mm时，实现了1.7—18 GHz范围内90%以上的吸收，密度约为0.35 g/cm³。研究还报告了不同极化和入射角度下的吸收表现，以及雷达散射截面的变化。
需要注意，1.3 mm材料级测试、10 mm材料级测试与15 mm梯度结构测试属于不同条件下的结果，不能混为一谈。15 mm结构的宽频表现，也不能直接等同于1.3 mm材料样品的性能。
四、梯度结构为什么有效？
研究团队通过非梯度结构对照和电磁场仿真，分析了层密度排序对吸收表现的影响。结果支持这样一种解释：合理的梯度排列能够改善阻抗过渡，并使不同频率下的电磁能量在结构内部不同位置得到耗散。
从整体设计来看，材料的缺陷和石墨化程度影响介电响应，FeCo引入磁损耗通道，而TPMS曲面与梯度排列进一步调节电磁波的传播路径。
最终的宽频吸收表现来自材料与结构的协同作用，不能单独归因于焦耳热、机器学习或某一项结构参数。
五、这项研究的价值在哪里？
这项研究把三个层次的设计连接起来：
材料层面： 通过快速焦耳加热调节缺陷、石墨化程度与FeCo颗粒状态。
结构层面： 通过梯度TPMS构型控制阻抗过渡和空间耗散。
设计层面： 利用机器学习与优化算法寻找合适的结构参数，减少对经验试凑的依赖。
对于后续研究而言，如何进一步验证不同制备批次的一致性、复杂环境下的长期性能，以及实际器件中的制造与集成能力，仍然值得关注。
从材料到结构，吸波性能的优化正在从单一参数调整走向多尺度协同设计。
论文信息
Feng, L. et al. Gradient TPMS architectures coupled with Joule-tuned magnetic carbon for ultrawideband microwave absorption. Journal of Alloys and Compounds, 2026, 1083, 191669.
DOI：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.191669
设备与技术说明
本研究使用焦耳加热对碳材料进行快速热处理。论文所列工艺包括真空环境、程序控温及不同目标温度下的处理。深圳中科精研科技有限公司的焦耳加热装置应用于该研究。
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