一、导读

超材料层间混杂构件(FRCM)作为一种兼具力学承载与电磁隐身的吸波结构，是新一代航空装备提高战场生存率和作战效能的重要革命方向。但受传统热固化工艺空气循环加热模式制约，构件成型过程中易形成显著温度梯度，导致固化变形、界面弱化并诱发超材料单元周期性失配，严重影响整机气动外形、承载性能及隐身功能。

近日，福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室主任、福州大学机械工程及自动化学院钟舜聪教授团队，在复合材料领域一区Top期刊《Advanced Composites and Hybrid Materials》（JCR Q1，IF: 21.8）发表了题为“Realization and characterization of broadband absorbing FRCM via microwave curing process”的研究论文。论文提出了一种基于多频带吸波超材料的微波固化成型新方法，基于电磁谐振理论设计了金属方环阵列以提高结构对2.45GHz微波加热频率的电磁响应，进一步结合相位干涉理论构造多层开口圆环阵列保证结构的宽频隐身功能。结果表明：本研究设计的FRCM能实现对微波加热频率的快速响应，有效实现了结构的等温均匀固化，且在4.7-18.0GHz频段内具备宽带隐身功能，平均吸波率超过90%。与传统热固化工艺制备的FRCM相比，该结构在微波均匀加热条件下的异质界面结合程度更高，层间剪切强度提高37.73%，有效实现了FRCM的结构-功能一体化设计制造。论文第一作者为实验室关成龙讲师，第二作者为硕士研究生陈君豪，实验室钟舜聪教授、王冰教授以及中南大学湛利华教授为本文的共同通讯作者，对论文的基础理论与整体研究工作做出了重要贡献。

二、内容简介

本研究针对FRCM由传统成型工艺温度场时空不均匀分布造成多相异质结构固化不同步现象加剧，进而引发的形性协同制造难题，提出了一种由玻璃纤维/碳纤维增强树脂基复合材料与超材料混杂的FRCM构件，基于CST三维电磁仿真软件开展构件的电磁响应特性分析，构建了从亚波长单元结构设计、微波成型工艺到性能响应调控的协同优化研究路径。研究采用红外热成像与分布式光纤测温等技术对构件的微波加热行为进行了系统表征，验证超材料电磁共振现象对固化加热效率与温度均匀性的改善效果；同时，进一步赋予构件宽频吸波性能，并揭示了其在宽带隐身频段内的吸波机制；最终，对微波固化FRCM构件的力学承载性能进行了测试分析，深入探讨了微波固化条件下构件多相异质界面结合性能增强的内在机理。

图1 基于多频带吸波超材料的微波固化成型新方法

关键成果一：电磁共振驱动下FRCM构件的高效均匀微波加热

针对传统结构型吸波材料对微波加热常用低频微波损耗能力显著不足的问题，研究通过引入单层方环阵列并对其进行几何参数寻优，在满足与自由空间阻抗匹配的条件下，利用电磁谐振效应实现了FRCM对2.45GHz微波加热频率的有效吸收，使微波能量能够快速转化为热能，从根本上提升了构件的加热效率。同时，该阵列在层间形成分布式内热源，使热量在材料内部均匀产生并传递，有效抑制传统空气循环加热模式下存在的体积温度梯度。

图2 方环阵列在2.45GHz微波辐射下的电磁特性及加热效果

关键成果二：电磁共振与相消干涉协同实现FRCM构件的宽频吸波隐身

研究进一步构建了以开口圆环为基本单元的多层金属阵列，并对其几何参数和堆叠顺序进行选择。通过分析多重反射电磁波的相位关系，结合多层结构内部电场分布特征，揭示了不同频率下吸波机制的差异性：FRCM构件在本征谐振频率处的高效吸波是由于电磁场在金属阵列边缘与间隙处的集中分布，表现出局部电场的显著增强和电磁能量的急剧损耗，而中高频宽带隐身功能的实现则主要依赖多层界面间电磁波反射产生的破坏性干涉。在两类机制协同作用下，构件在4.6–18.0GHz范围内的平均吸收率超过90%。

图3 共振与干涉协同作用下的多频宽带吸波机制

关键成果三：微波固化工艺大幅提升FRCM构件的异质界面结合性能

研究还对微波固化FRCM构件的成型质量及失效形貌进行了测试表征，发现不同于传统热固化试样由于内部高孔隙率及弱树脂浸润性导致的界面脱粘，构件在微波均匀加热条件下更易形成致密稳定的界面结构，外部载荷能从树脂基体有效传递至增强纤维，失效表面呈现大量树脂附着与内聚破坏，超材料-复合材料层间界面性能得到显著提高，增幅高达37.7%，有效保证了构件的力学承载性能。

图4 FRCM构件的界面破坏形貌：(a)、(c):热固化试样；(b)、(d):微波固化试样

三、总结

本研究针对超材料层间混杂构件尺寸大型化、结构复杂化发展进程中，由传统热固化工艺加热不均匀、固化不同步导致的高缺陷、高应力及其引发的固化变形、隐身失效等问题，通过开展超材料结构的特异性设计和电磁仿真，使FRCM兼具对低频微波加热频率的高效吸收效果以及对中高频雷达探测频率的宽带隐身功能，并进一步结合自研的微波加热设备完成FRCM的高效、高品质成型，有效支撑了大型航空电磁隐身构件高承载、强吸波的结构-功能一体化制造。

本研究工作得到了国家自然科学基金、福建省自然科学基金等项目的资助。未来，团队将重点围绕超材料层间混杂构件的电磁性能调控、成型工艺参数优化以及航空典型样件的工程试制开展研究，为推动我国超材料层间混杂构件制造技术革新和航空战机体系化作战能力的跨越式提升贡献力量。

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-026-01738-2