近日，火箭军工程大学王龙副教授联合西北工业大学卿玉长教授，创新提出材料—结构—功能一体化协同设计思路，采用粉末挤出3D打印技术，成功构筑具有梯度异质界面的多孔阶梯型TiC/SiC/Ti₃SiC₂超结构，并复合SiO2气凝胶实现功能赋能，研发出超轻质、耐高温、超宽频微波—红外兼容隐身多功能超结构复合材料。相关成果正式发表于《Journal of Alloys and Compounds》，为研发极端环境隐身材料、增材制造制备多功能超材料，树立了全新技术范式。

研究背景

在现代航空航天与高超音速飞行器领域，雷达—红外多光谱协同探测已成为主流侦察手段，空中平台面临严峻的全频谱暴露威胁。高速飞行带来的剧烈气动加热，更是让隐身材料陷入技术难题：必须同时兼备高温结构稳定性、超宽频微波吸波、低红外发射、高效隔热减重等多重性能。传统陶瓷基吸波材料普遍存在吸波带宽窄、热管理能力缺失、高温性能衰减明显等短板，难以满足高超音速飞行器蒙皮的实际服役需求。

内容简介

该团队创新地提出材料—结构—功能一体化协同设计思路，采用粉末挤出3D打印技术成功构筑具有梯度异质界面的多孔阶梯型TiC/SiC/Ti₃SiC₂超结构，并复合SiO2气凝胶实现功能赋能，研发出超轻质、耐高温、超宽频微波—红外兼容隐身多功能超结构复合材料。该结构具有超宽吸收带（在2–40 GHz频段内，带宽为29.68GHz，最小驻波比-27.56dB）；具有优异的高温稳定性，在900℃时仍能保持18.46GHz的有效带宽；具有优异的隔热性能，使冷端温度在500℃时降至178.2℃，且密度仅为0.66g/cm³，超轻便。为研发极端环境隐身材料、增材制造制备多功能超材料，树立了全新技术范式。

创新设计：3D打印构筑多相陶瓷梯度超结构+气凝胶协同改性

区别于传统单一组分、简单结构隐身材料研发思路，团队跳出单一材料组分优化局限，采用粉末挤出3D打印工艺，精准制备多孔阶梯型TiC/SiC/Ti₃SiC₂超材料基体。

经高温烧结后，Ti₃SiC₂发生部分分解，原位生成TiC、SiC、Ti₃SiC₂三相共存体系，形成大量异质界面与晶格缺陷，为电磁波衰减提供天然结构基础；再引入SiO₂气凝胶作为隔热透波填充相，利用其超低导热系数、雷达波高透过率特性，完美实现电磁调控与热管理双向协同，破解了高温下宽频吸波与红外隐身难以兼容的行业痛点。

图1 超结构吸波器制备工艺示意图

图2 SiO₂气凝胶浸渗的设计、制备

性能突破：宽频吸波+耐高温隔热+轻质隐身全方位提升

一、超宽频微波吸波，高温性能稳定

在2–40 GHz全频段范围内，该复合超材料实现29.68 GHz超宽有效吸收带宽，最低反射损耗低至-27.56 dB；即便在900℃极端高温环境下，仍可保持18.46 GHz宽频吸波能力，打破传统材料高温下吸波性能骤降的瓶颈。

同时材料具备优异的宽角域极化不敏感性，0°~45°入射角下TE/TM极化波吸波性能波动极小，适配复杂实际探测工况；RCS仿真结果显示，该超材料可将飞行器主瓣雷达散射截面大幅衰减，俯视/前视RCS从-10.61/-5.43 dBm²降至-26.12/-21.82 dBm²，远场雷达隐身效果显著。

图3 雷达隐身性能评估

 二、超强隔热保温，红外隐身效果拉满

SiO₂气凝胶凭借固相导热抑制、气相克努森效应、辐射米氏散射三重抑热机制，赋予复合材料优异隔热性能。在500 ℃热源环境下，材料冷侧稳态温度保持在178.2℃，红外辐射能量大幅降至522.04 W/m²，通过主动降低表面温度实现高效红外伪装，完美适配高温气动加热场景。

图4 红外隐身性能评估

 三、超轻质一体化，工程适配性强

复合材料整体密度仅0.66 g/cm³，满足航空航天装备轻量化设计要求，高温工况下结构稳定性优异。且整套制备依托3D打印近净成型技术，可实现复杂异形结构一体化制造，简化加工流程、提升材料利用率，具备规模化工程应用潜力。

图5 超材料综合性能比较

损耗机制解密：多效应耦合实现全性能突破

该材料优异的多功能性能，源于多重物理机制协同作用

图6 雷达-红外兼容隐身机制

应用前景

这项研究突破了高温环境下雷达—红外兼容隐身的技术壁垒，将3D打印增材制造、多相陶瓷组分设计、气凝胶功能改性有机融合，开发出集超轻质、耐高温、宽频吸波、高效隔热、红外隐身于一体的新型多功能超材料。

不仅可为高超音速飞行器、航空航天平台、军用装备蒙皮提供理想的全频谱隐身隔热解决方案，也为极端环境下多功能超材料的设计与工业化制备，提供了可复制、可拓展的全新研发范式。

总结与启示

本研究采用粉末挤出3D打印（PEP）技术，以Ti₃SiC₂为原料制备多孔阶梯型陶瓷生坯，经高温烧结原位生成TiC/SiC/Ti₃SiC₂三相共存体系，形成大量异质界面与晶格缺陷，再浸渗SiO₂气凝胶，最终获得密度仅0.66 g/cm³的超轻质复合材料。该材料在2-40 GHz频段实现29.68 GHz超宽有效吸收带宽，900℃下仍保持18.46 GHz吸波能力，500℃热源下冷侧温度仅178.2℃，兼具宽频吸波、耐高温、隔热与红外隐身性能。

l 一体化设计平台：PEP技术将材料组分、几何构型与功能性能统一于同一工艺链，使梯度孔隙、阶梯型结构等复杂设计“即造即得”。

l 模块化策略：PEP先打印精确可控的多孔基体，后浸渗功能相（如气凝胶），实现“结构承载+功能赋能”分工协同，降低多性能耦合难度。

l 高效研发范式：PEP无模成型、材料切换灵活，可快速迭代优化高温隐身材料方案，加速极端环境多功能材料的工程化落地。

来源声明：翻译自《Journal of Alloys and Compounds》期刊，内容来源“研精究微”公众号，经升华三维市场部综合整理，仅供分享交流。