Reconciling electrothermal de-icing and broadband electromagnetic transparency via a hexagonal honeycomb graphene glass fabric metasurface with impedance modulation and resonant coupling

当飞机穿过寒冷且潮湿的空气时，冰可能会在飞机的领先边缘（即机翼和尾翼的前部）堆积。这种冰会改变机翼的形状，使飞机难以维持升力并难以控制。为了防止这种情况，现代飞机经常使用电热除冰技术，这是一种通过在飞机蒙皮中嵌入特殊的加热元件并通入电流来融化冰层的系统。然而，这些飞机蒙皮还必须对雷达波透明。雷达系统对于导航和安全至关重要，它们发送无线电信号，这些信号需要穿过蒙皮以探测外部物体并返回飞机。如果加热元件由金属制成，它们就像一面镜子一样反射这些无线电波，从而阻挡雷达并造成危险的盲区。几十年来，工程师们一直面临着一个艰难的选择：是使用有效但会阻挡雷达的金属加热器，还是使用透明但强度不足以快速融化冰层的材料。

一组研究人员发现了一种兼顾两者的办法。他们开发了一种新材料，这种材料能够高效发热以融化冰层，同时在广泛的频率范围内对雷达几乎“隐形”。解决方案在于一种巧妙的材料与几何结构的结合。他们发明物体的核心是一种由涂有石墨烯（一种以导电性和透明性著称的碳形式）的玻璃纤维织成的织物。研究人员并没有将这种织物作为整块布料使用，而是利用激光精确地擦除其特定部分，从而创造出一种微小的六角形孔洞图案。这种类似于蜂窝的图案打破了电流和无线电波通常会遵循的连续路径。通过这样做，他们成功地调节了材料，使其既能很好地导电以产生热量，又能通过散射无线电波的方式让波通过，而不是将其反射回来。

研究人员首先测试了不同版本的石墨烯涂层织物，以找到合适的平衡点。他们发现，如果材料的导电性太强，它会阻挡无线电波；如果电阻太大，它则无法产生足够的热量。他们最终确定了一个具有特定电阻水平的版本，使他们能够实现目标。通过使用可编程激光，他们在织物上蚀刻出了精确的六角形网格。这种被称为“直接激光擦除”的过程选择性地移除了图案沿线的石墨烯，留下了一个由导电细丝和空白空间组成的网络。其结果是一个看起来像精致网状结构，但实际上是精密能量过滤器的结构。

当团队测试这种新网格时，发现其表现非常出色。在正常条件下，该结构允许超过80%的无线电波穿过其到达另一侧，涵盖了现代雷达系统使用的极宽频谱。即使当波以不同的角度或方向撞击材料时，这种透明度依然保持不变。研究人员分析了波如何在材料中移动，发现蜂窝图案的工作原理是打破了通常会导致无线电波反射的大规模、平滑的电流流动。电流不再是横跨整个表面的单一、强电流，而是被迫沿着网格的细丝旅行，并在六角形的角处改变方向。这种分割减少了反射回来的能量量，从而使波得以通过。

除了让无线电波通过外，这种材料也被证明是一种极佳的加热器。当研究人员施加少量的电能时，整个表面均匀地升温。他们测量到温度以每秒0度C的稳定速率上升。为了测试其实际应用能力，他们向材料上喷水并将其冻成一层冰。当他们开启电源时，冰融化并从表面滑落，这证明了该材料无需厚重即可有效地为表面除冰。整个片层的加热是非常均匀的，这意味着不存在容易积冰的冷点。

研究人员还探索了这种材料如何与其他技术协同工作，特别是旨在隐藏飞机以避免被探测到的雷达吸收材料。他们在新的石墨烯网格下方放置了一层由铁粉与聚合物混合而成的雷达吸收材料。他们发现，这种组合的效果比单纯使用吸收材料更好。这种网格并没有阻碍雷达吸收层发挥作用；相反，这两层协同工作，可以吸收更广泛频率（从9.2到15.2吉赫兹）的电磁波。此外，该网格的存在并未增加反射回源头的雷达能量。事实上，这种组合比吸收材料本身更能降低目标的雷达特征，使飞机在保持皮肤足够温暖以脱落冰层的同时，更难被探测。

这项工作为未来飞机设计提供了一条实用的路径。通过使用一种既是加热器又是雷达“窗口”的材料，工程师可以消除长期以来困扰飞机设计的权衡难题。这种通过精确激光切割石墨烯涂层织物而形成的六角形蜂窝结构，提供了一种既能保护飞机免受冰雪影响，又不损害其“观察”世界能力的方法。这项研究证实，协调这两个相互冲突的需求是可能的，它为设计既能保护飞机免受自然元素侵害，又能保持雷达隐身性的多功能蒙皮提供了蓝图。