西安科技大學科研團隊破解電磁防護難題！

在千米深的煤礦井下，大型采礦機械轟鳴運轉，變頻器、通風系統高速工作，這些設備在保障開采效率的同時，會產生一種無形的“干擾源”——電磁干擾。這種看不見的電磁波可能導致瓦斯探測器讀數失真、通信設備信號中斷、控制儀器失靈，給煤礦安全生產埋下致命隱患。

更棘手的是，傳統電磁防護手段始終存在難以調和的矛盾：金屬外殼雖然能阻擋部分干擾，卻笨重不透明，遮擋儀器顯示屏導致無法實時監控，且在潮濕多塵的井下環境中極易腐蝕；普通屏蔽材料要么帶寬狹窄，難以應對復雜頻率干擾，要么厚度過大，影響設備部署。如何打造一款“透明、輕薄、廣譜”的電磁防護裝備，成為礦業安全領域的一項難題。

如今，這一困境被我校科研團隊成功破解。西安科技大學黃曉俊教授團隊聯合南京航空航天大學等單位，在國際頂級期刊《Advanced Science》發表最新研究成果，研發出一種光學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，實現了0.52-40GHz超寬頻率范圍內90%以上的電磁干擾吸收，相對帶寬高達194.9%，厚度卻僅為最大工作波長的1/50，完美兼顧防護性能與視覺監控需求，為智能采礦安全提供了全新解決方案。

既能“防住”，又能“看見”

“煤礦井下的電磁環境極其復雜，低頻干擾多、設備布局密集，傳統材料要么‘防不住’，要么‘看不見’，我們的設計就是要同時解決這兩個核心問題。”黃曉俊教授介紹，團隊經過兩年多的反復試驗，最終確定了“ITO薄膜+水基樹脂”的復合結構方案，讓吸收器具備了“防護+透明”的雙重特質。

這款超材料吸收器的結構看似簡單，實則暗藏精密設計。它由四層功能結構組成：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薄膜是實現“透明”的關鍵。這種材料兼具高導電性和光學透明性，高質量ITO薄膜的可見光透過率可超過90%，就像一層“隱形防護膜”，覆蓋在儀器屏幕上也不會影響讀數觀察。團隊通過激光蝕刻技術，在ITO薄膜上制作出外方環、內方環與連接條組成的特殊圖案，使其能與低頻電磁波產生諧振，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快速耗散電磁能量。“我們利用3D打印技術制作樹脂框架，精準控制水層厚度和分布，讓它與ITO薄膜形成協同作用。”黃曉俊教授解釋道，這種“低頻靠ITO、高頻靠水層”的分工模式，徹底打破了傳統材料“帶寬與厚度”的trade-off困境，實現了超寬頻率覆蓋。

為了適應煤礦巷道的復雜環境，團隊還優化了吸收器的角度適應性。實驗證明，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）模式下也能達到80%以上，完全滿足井下電磁波多方向反射的實際場景。同時，其極化不敏感特性確保了無論干擾信號來自哪個方向，都能穩定防護。

模擬礦井實測！超給力

在西安科技大學煤炭學科專業綜合實驗實訓中心的模擬礦井巷道中，這款吸收器接受了嚴苛的實戰檢驗。團隊搭建了高功率電磁干擾環境，通過變頻器等設備模擬井下復雜電磁場景，測試其對精密電子設備的防護效果。

實驗中，未使用吸收器時，放置在干擾源附近的模擬萬用表測量100歐姆電阻時，讀數在10-90歐姆之間劇烈波動，誤差高達80%；基于微控制器的數字電子鐘則頻繁閃爍，時間顯示完全失真，這與井下電磁干擾導致的設備故障現象高度一致。

當研究人員將超材料吸收器覆蓋在設備外部后，奇跡發生了：數字電子鐘的顯示屏迅速穩定，時間恢復準確；模擬萬用表的讀數穩定在98-102歐姆之間，測量誤差控制在2%以內，完全滿足工業級精度要求。此外，信號屏蔽測試顯示，該吸收器能完全阻斷Wi-Fi信號，并顯著衰減移動通信信號，進一步驗證了其強大的電磁屏蔽能力。

“井下設備的穩定性直接關系到礦工生命安全，比如瓦斯探測器的微小誤差，都可能引發嚴重后果。”參與實驗的神東煤炭集團大柳塔煤礦工程師表示，這款吸收器的實測表現超出預期，其透明特性讓工人能實時觀察設備運行狀態，解決了傳統屏蔽材料“防護與監控不可兼得”的痛點，在煤礦安全生產中具有極高的應用價值。

除了卓越的防護性能，該吸收器還具備極強的環境適應性。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、高濕環境中長期穩定工作；3D打印的制造方式則降低了批量生產成本，便于現場裁剪部署，可適配不同規格的儀器設備。

為超材料設計提供了新思路

“這款吸收器的創新之處，不僅在于解決了煤礦井下的電磁防護難題，更在于為復雜環境下的電磁兼容提供了新范式。”黃曉俊教授強調了該技術的跨界潛力。

在智能采礦領域，隨著5G、物聯網、自動駕駛等技術的普及，井下電子設備密度大幅提升，電磁干擾問題日益突出。該吸收器可廣泛應用于瓦斯傳感器、智能監控攝像頭、無人采礦設備等關鍵設備的防護，為智慧礦山建設筑牢安全屏障。目前，團隊已與神東煤炭集團等企業達成合作意向，計劃開展井下實地應用測試，推動技術成果產業化。

在工業物聯網領域，該技術可用于工業機器人、精密儀器、智能傳感器等設備的電磁屏蔽，尤其適用于對透明度有要求的顯示面板、觀察窗口等場景，解決工業生產中的電磁干擾問題，提升設備運行可靠性。

值得關注的是，該研究采用的“ITO-水協同損耗”機制，為超材料設計提供了新思路。團隊通過參數優化，實現了吸收頻率、帶寬與厚度的精準調控，相關設計方法可遷移到太赫茲、紅外等其他頻段，開發出更多功能化超材料器件。

“下一步，我們將重點優化材料的耐高溫性能和機械強度，開發柔性可穿戴版本，并拓展在6G通信、新能源設備等領域的應用。”黃曉俊教授表示，團隊將持續深化研究，推動超材料技術從實驗室走向更多應用場景，為我國高端制造業和安全生產領域提供核心技術支撐。

這項由我校科研團隊牽頭研發的超材料技術，不僅打破了傳統電磁防護的技術瓶頸，更彰顯了我校在超材料領域的研發實力。隨著技術的不斷成熟和產業化推進，這款“透明電磁盾牌”有望在更多領域發揮作用，為各行各業的安全高效運行保駕護航，讓無形的電磁干擾不再成為制約發展的“絆腳石”。

鳴 謝| 通信與信息工程學院

制 版 | 周子桐

編 輯 | 王少博

責 編 | 劉光林

審 核 | 曹雪梅

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