在千米深的煤礦井下，大型采礦機(jī)械轟鳴運(yùn)轉(zhuǎn)，變頻器、通風(fēng)系統(tǒng)高速工作，這些設(shè)備在保障開采效率的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種無形的“干擾源”——電磁干擾。這種看不見的電磁波可能導(dǎo)致瓦斯探測(cè)器讀數(shù)失真、通信設(shè)備信號(hào)中斷、控制儀器失靈，給煤礦安全生產(chǎn)埋下致命隱患。

更棘手的是，傳統(tǒng)電磁防護(hù)手段始終存在難以調(diào)和的矛盾：金屬外殼雖然能阻擋部分干擾，卻笨重不透明，遮擋儀器顯示屏導(dǎo)致無法實(shí)時(shí)監(jiān)控，且在潮濕多塵的井下環(huán)境中極易腐蝕；普通屏蔽材料要么帶寬狹窄，難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜頻率干擾，要么厚度過大，影響設(shè)備部署。如何打造一款“透明、輕薄、廣譜”的電磁防護(hù)裝備，成為礦業(yè)安全領(lǐng)域的一項(xiàng)難題。

如今，這一困境被我�？蒲袌F(tuán)隊(duì)成功破解。西安科技大學(xué)黃曉俊教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京航空航天大學(xué)等單位，在國際頂級(jí)期刊《Advanced Science》發(fā)表最新研究成果，研發(fā)出一種光學(xué)透明水基超材料吸收器。這款被稱為“透明電磁盾牌”的黑科技，實(shí)現(xiàn)了0.52-40GHz超寬頻率范圍內(nèi)90%以上的電磁干擾吸收，相對(duì)帶寬高達(dá)194.9%，厚度卻僅為最大工作波長(zhǎng)的1/50，完美兼顧防護(hù)性能與視覺監(jiān)控需求，為智能采礦安全提供了全新解決方案。

既能“防住”，又能“看見”

“煤礦井下的電磁環(huán)境極其復(fù)雜，低頻干擾多、設(shè)備布局密集，傳統(tǒng)材料要么‘防不住’，要么‘看不見’，我們的設(shè)計(jì)就是要同時(shí)解決這兩個(gè)核心問題。”黃曉俊教授介紹，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過兩年多的反復(fù)試驗(yàn)，最終確定了“ITO薄膜+水基樹脂”的復(fù)合結(jié)構(gòu)方案，讓吸收器具備了“防護(hù)+透明”的雙重特質(zhì)。

這款超材料吸收器的結(jié)構(gòu)看似簡(jiǎn)單，實(shí)則暗藏精密設(shè)計(jì)。它由四層功能結(jié)構(gòu)組成：頂層是帶有特殊圖案的高方阻氧化銦錫（ITO）諧振層，中間是十字形空腔的樹脂層，注入水后形成吸收區(qū)域，底層則是低方阻ITO反射背板，所有功能層都沉積在柔性聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板上，整體厚度僅13毫米。

ITO薄膜是實(shí)現(xiàn)“透明”的關(guān)鍵。這種材料兼具高導(dǎo)電性和光學(xué)透明性，高質(zhì)量ITO薄膜的可見光透過率可超過90%，就像一層“隱形防護(hù)膜”，覆蓋在儀器屏幕上也不會(huì)影響讀數(shù)觀察。團(tuán)隊(duì)通過激光蝕刻技術(shù)，在ITO薄膜上制作出外方環(huán)、內(nèi)方環(huán)與連接條組成的特殊圖案，使其能與低頻電磁波產(chǎn)生諧振，高效吸收干擾能量。

而水基填充層則成為高頻干擾的“克星”。水具有獨(dú)特的極性和介電損耗特性，在高頻段能通過分子極化弛豫效應(yīng)快速耗散電磁能量�！拔覀兝�3D打印技術(shù)制作樹脂框架，精準(zhǔn)控制水層厚度和分布，讓它與ITO薄膜形成協(xié)同作用。”黃曉俊教授解釋道，這種“低頻靠ITO、高頻靠水層”的分工模式，徹底打破了傳統(tǒng)材料“帶寬與厚度”的trade-off困境，實(shí)現(xiàn)了超寬頻率覆蓋。

為了適應(yīng)煤礦巷道的復(fù)雜環(huán)境，團(tuán)隊(duì)還優(yōu)化了吸收器的角度適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)證明，即使電磁波以60°角斜入射，在橫磁波（TM）模式下吸收率仍保持90%以上，橫電波（TE）模式下也能達(dá)到80%以上，完全滿足井下電磁波多方向反射的實(shí)際場(chǎng)景。同時(shí)，其極化不敏感特性確保了無論干擾信號(hào)來自哪個(gè)方向，都能穩(wěn)定防護(hù)。

模擬礦井實(shí)測(cè)！超給力

在西安科技大學(xué)煤炭學(xué)科專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心的模擬礦井巷道中，這款吸收器接受了嚴(yán)苛的實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)搭建了高功率電磁干擾環(huán)境，通過變頻器等設(shè)備模擬井下復(fù)雜電磁場(chǎng)景，測(cè)試其對(duì)精密電子設(shè)備的防護(hù)效果。

實(shí)驗(yàn)中，未使用吸收器時(shí)，放置在干擾源附近的模擬萬用表測(cè)量100歐姆電阻時(shí)，讀數(shù)在10-90歐姆之間劇烈波動(dòng)，誤差高達(dá)80%；基于微控制器的數(shù)字電子鐘則頻繁閃爍，時(shí)間顯示完全失真，這與井下電磁干擾導(dǎo)致的設(shè)備故障現(xiàn)象高度一致。

當(dāng)研究人員將超材料吸收器覆蓋在設(shè)備外部后，奇跡發(fā)生了：數(shù)字電子鐘的顯示屏迅速穩(wěn)定，時(shí)間恢復(fù)準(zhǔn)確；模擬萬用表的讀數(shù)穩(wěn)定在98-102歐姆之間，測(cè)量誤差控制在2%以內(nèi)，完全滿足工業(yè)級(jí)精度要求。此外，信號(hào)屏蔽測(cè)試顯示，該吸收器能完全阻斷Wi-Fi信號(hào)，并顯著衰減移動(dòng)通信信號(hào)，進(jìn)一步驗(yàn)證了其強(qiáng)大的電磁屏蔽能力。

“井下設(shè)備的穩(wěn)定性直接關(guān)系到礦工生命安全，比如瓦斯探測(cè)器的微小誤差，都可能引發(fā)嚴(yán)重后果。”參與實(shí)驗(yàn)的神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦工程師表示，這款吸收器的實(shí)測(cè)表現(xiàn)超出預(yù)期，其透明特性讓工人能實(shí)時(shí)觀察設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，解決了傳統(tǒng)屏蔽材料“防護(hù)與監(jiān)控不可兼得”的痛點(diǎn)，在煤礦安全生產(chǎn)中具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

除了卓越的防護(hù)性能，該吸收器還具備極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。水基材料與樹脂框架組合，使其具有良好的耐腐蝕、抗潮濕能力，能在井下多塵、高濕環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定工作；3D打印的制造方式則降低了批量生產(chǎn)成本，便于現(xiàn)場(chǎng)裁剪部署，可適配不同規(guī)格的儀器設(shè)備。

為超材料設(shè)計(jì)提供了新思路

“這款吸收器的創(chuàng)新之處，不僅在于解決了煤礦井下的電磁防護(hù)難題，更在于為復(fù)雜環(huán)境下的電磁兼容提供了新范式。”黃曉俊教授強(qiáng)調(diào)了該技術(shù)的跨界潛力。

在智能采礦領(lǐng)域，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等技術(shù)的普及，井下電子設(shè)備密度大幅提升，電磁干擾問題日益突出。該吸收器可廣泛應(yīng)用于瓦斯傳感器、智能監(jiān)控?cái)z像頭、無人采礦設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備的防護(hù)，為智慧礦山建設(shè)筑牢安全屏障。目前，團(tuán)隊(duì)已與神東煤炭集團(tuán)等企業(yè)達(dá)成合作意向，計(jì)劃開展井下實(shí)地應(yīng)用測(cè)試，推動(dòng)技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化。

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，該技術(shù)可用于工業(yè)機(jī)器人、精密儀器、智能傳感器等設(shè)備的電磁屏蔽，尤其適用于對(duì)透明度有要求的顯示面板、觀察窗口等場(chǎng)景，解決工業(yè)生產(chǎn)中的電磁干擾問題，提升設(shè)備運(yùn)行可靠性。

值得關(guān)注的是，該研究采用的“ITO-水協(xié)同損耗”機(jī)制，為超材料設(shè)計(jì)提供了新思路。團(tuán)隊(duì)通過參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了吸收頻率、帶寬與厚度的精準(zhǔn)調(diào)控，相關(guān)設(shè)計(jì)方法可遷移到太赫茲、紅外等其他頻段，開發(fā)出更多功能化超材料器件。

“下一步，我們將重點(diǎn)優(yōu)化材料的耐高溫性能和機(jī)械強(qiáng)度，開發(fā)柔性可穿戴版本，并拓展在6G通信、新能源設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用�！秉S曉俊教授表示，團(tuán)隊(duì)將持續(xù)深化研究，推動(dòng)超材料技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向更多應(yīng)用場(chǎng)景，為我國高端制造業(yè)和安全生產(chǎn)領(lǐng)域提供核心技術(shù)支撐。

這項(xiàng)由我�？蒲袌F(tuán)隊(duì)牽頭研發(fā)的超材料技術(shù)，不僅打破了傳統(tǒng)電磁防護(hù)的技術(shù)瓶頸，更彰顯了我校在超材料領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力。隨著技術(shù)的不斷成熟和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，這款“透明電磁盾牌”有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用，為各行各業(yè)的安全高效運(yùn)行保駕護(hù)航，讓無形的電磁干擾不再成為制約發(fā)展的“絆腳石”。

鳴 謝| 通信與信息工程學(xué)院

制 版 | 周子桐

編 輯 | 王少博

責(zé) 編 | 劉光林

審 核 | 曹雪梅

黨委宣傳部網(wǎng)絡(luò)與新媒體中心出品