基于超低电阻温度系数RuO2/玻璃超表面的多功能复合材料实现1000°C超稳健宽带微波吸收

《Nature Communications》：Metasurface-based multifunctional composites with ultra-robust broadband microwave absorption up to 1000 °C

　　为解决极端高温环境下宽带微波吸收性能不稳定的难题，研究人员开展了“基于RuO2/玻璃电阻材料的超表面多功能复合材料”研究。通过量子隧穿效应设计出温度系数电阻（TCR）低至-365 ppm/°C的电阻材料，结合低介电氧化铝气凝胶和Al2O3f/Al2O3陶瓷介质层，成功研制出集微波吸收（MA）、热绝缘和承载（MTL）功能于一体的复合材料。该材料在25-1000°C范围内保持2-12 GHz全频段反射率<-10 dB，耐受50次热震循环，同时具备143 mW/(m·K)的超低导热系数和6.58 MPa压缩模量。该研究为极端多场耦合环境下的微波吸收材料设计提供了新范式。

　　

在当今电磁技术飞速发展的时代，如何实现对微波信号的精准控制已成为航空航天、国防安全等领域的核心挑战。电磁超材料（EMMs）通过人工设计的亚波长“超原子”结构，突破了天然材料的电磁特性限制，其中微波吸收超表面（MAMS）更以其超薄厚度和可调阻抗特性，成为新一代吸波材料的研究热点。然而，当工作温度攀升至500°C以上时，传统吸波材料面临严峻考验：磁性材料在居里温度点会彻底失磁，而电阻型材料则因载流子迁移率和偶极弛豫时间随温度剧烈变化，导致电参数漂移幅度可达十倍之多。更棘手的是，微波吸收所需的电参数设计窗口极为狭窄，这种“大漂移”与“窄窗口”的矛盾，使得现有超材料在1000°C极端高温下难以维持稳定的宽带吸收性能。

面对这一挑战，国防科技大学联合东南大学、北京航空航天大学的研究团队在《Nature Communications》发表突破性成果。他们创新性地利用二氧化钌（RuO₂）的量子隧穿效应，开发出电阻温度系数（TCR）低至-365 ppm/°C的RuO₂/玻璃电阻材料，并以此构建了具有温度不敏感特性的微波吸收超表面。通过将超表面与低介电氧化铝气凝胶复合材料、Al₂O_3f/Al₂O₃陶瓷复合材料进行多层结构设计，成功研制出集微波吸收、热绝缘和机械承载于一体的多功能复合材料（MTL）。该材料在保持仅0.54 g/cm3低密度的前提下，实现了从室温到1000°C全程2-12 GHz宽带吸收、50次热震循环无衰减的卓越性能，其压缩模量达6.58 MPa，热导率在1000°C时仅为143 mW/(m·K)，为极端环境下的电磁隐身技术提供了全新解决方案。

关键技术方法包括：采用丝网印刷工艺在超薄Al₂O_3f/Al₂O₃陶瓷基底上制备RuO₂/玻璃超表面；通过厚度方向纤维缝合技术增强多层结构分层阻力；利用电弧风洞试验评估材料长期隔热性能；采用海军研究实验室（NRL）拱形法测试2-12 GHz频段微波反射率；结合等效电路模型和微波网络理论进行结构参数优化设计。

结构设计与电磁响应机制

研究团队通过单元结构设计发现，双超表面层结构在S波段（2.5 GHz）和C波段（7.1 GHz）形成双重谐振峰，实现2-12 GHz全频段覆盖。

史密斯圆图显示双超表面结构的阻抗轨迹完美通过理想匹配点，归一化输入阻抗实部为1、虚部为0。电流损耗密度分布表明，S波段吸收主要源于下层超表面共振，X波段吸收依赖于上层超表面，C波段则由双层共同贡献，这种频段分工的电磁响应机制通过阻抗特性分析得到验证。

RuO₂/玻璃材料的电性能突破

透射电镜显示RuO₂纳米颗粒均匀分布在玻璃基质中，X射线衍射证实其为四方晶系单晶结构。

基于量子隧穿效应的导电模型表明，势垒电阻R_b(T)呈负温度系数，而RuO₂本征电阻R_m(T)呈正温度系数，二者相互补偿使整体TCR显著降低。高温四探针测试证实材料在25-1000°C范围内TCR始终维持在-95至-365 ppm/°C，比传统电阻材料低一个数量级，且在1000°C持续10小时电阻变化不超过16%。

微波吸收性能的温度鲁棒性

NRL拱形法测试表明，MTL复合材料在25-1000°C全程保持反射率<-10 dB，相对带宽达143%，带宽保留率100%。

经50次25-1000°C热震循环后，材料无可见裂纹且吸收曲线完全重叠。在横电（TE）和横磁（TM）极化模式下，入射角在±45°范围内变化时，有效吸收带宽（EAB）衰减不超过5%。湿热实验（95%湿度，12小时）后EAB保持稳定，证明其卓越的环境适应性。

热绝缘与力学性能

稳态热导率测试显示材料在室温（38 mW/(m·K)）和1000°C（143 mW/(m·K)）均优于主流隔热材料。

电弧风洞实验中，热面温度持续1500秒高于800°C时，背面温度不超过120°C。准静态压缩测试表明材料在10%应变内呈现弹性变形（残余应变<0.7%），压缩模量在低应变区为1.69 MPa，高应变区达6.58 MPa，100次压缩循环后高度仅降低1.3%。

该研究通过量子隧穿效应成功解决了高温下电阻参数漂移与窄带吸波需求的固有矛盾，首次实现了1000°C极端环境下宽带微波吸收的性能稳定性。MTL复合材料的多功能集成设计理念，为应对温度、应力、电磁场多场耦合的极端环境材料开发提供了新思路。其超低密度、高压缩模量和优异热绝缘性能，使其在航空航天热防护系统、高超声速飞行器电磁隐身等领域具有广阔应用前景。这项突破不仅推动了高温微波吸收材料的发展，更开创了基于量子效应调控材料温度特性的新范式。