在21世紀，數字技術和通信系統的迅猛發展推動了社會進步。然而，這些技術的廣泛應用也引發了一種新的環境污染——電磁干擾（EMI）。EMI可能會干擾精密電子和生物系統，對人類生命和經濟構成潛在威脅。因此，開發EMI屏蔽材料已成為材料科學領域的熱門話題。傳統上，金屬如不銹鋼、銅、鋁和銀因其顯著的屏蔽效果而備受青睞。然而，這些金屬的高導電性往往導致通過反射來屏蔽電磁波，這可能會無意中產生二次電磁污染。為了應對這一挑戰，研究人員開始探索合成EMI屏蔽材料，包括導電聚合物、石墨烯、MXene、碳納米管 （CNT）和銀納米線（AgNW）等。然而，目前對吸收主導型結構的研究仍然有限，只有少數研究評估了吸收參數在屏蔽性能評價中的作用。
設計吸收主導型EMI屏蔽結構需要特別注意詳細的結構設計，旨在最小化反射不必要的電磁噪聲，并通過各種衰減機制捕獲電磁 波。這種解決方案通常被稱為“EMI陷阱”或綠色EMI屏蔽。然而，過分強調材料選擇而忽視屏蔽行為的重要性，導致許多反射主導型EMI屏蔽的產生。以MXene為例，這種二維納米材料因其高導電性而被廣泛用于薄膜制備，但主要反射入射電磁波，類似于傳統金屬基EMI屏蔽材料。然而，通過巧妙的結構設計和MXene與其他低導電介質的集成，如氣凝膠、泡沫或多層復合材料，可以充分挖掘其用于先進低反射屏蔽解決方案的潛力。這一示例為EMI屏蔽指明了一條 道路：必須將電磁屏蔽材料的內在特性與合理的結構設計相結合，以實現吸收主導型屏蔽。這一關鍵概念在本領域內的實驗和綜述文獻中尚未得到充分探討。
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圖1. a,b) 高度導電薄結構中主要電磁干擾（EMI）屏蔽機制的示意圖。c) 趨膚深度是指電磁場強度呈指數級衰減至初始入射值1/e的距離。d) 分隔結構、e) 多孔結構和f) 多層結構內部散射的示意圖。
解析
圖1. a,b) 高度導電薄結構中主要EMI屏蔽機制的示意圖
這部分描述了圖1中的a和b兩個子圖，它們展示了高度導電薄結構中主要的電磁干擾（EMI）屏蔽機制。在高度導電的材料中，電磁波（EMWs）與材料表面的自由電子或空穴相互作用，導致電子振蕩并產生感應場，即反射波。這種反射是導電材料屏蔽EMI的主要機制之一。示意圖可能展示了電磁波入射到導電材料表面時，部分波被反射回去，而部分波可能進入材料內部但被迅速衰減的過程。
c) 趨膚深度是指電磁場強度呈指數級衰減至初始入射值1/e的距離
趨膚深度（Skin Depth）是電磁波在導電介質中傳播時，其場強（包括電場和磁場）隨深度增加而衰減到初始入射值的1/e（約37%）時的距離。這個概念對于理解電磁波在導電材料中的傳播和衰減非常重要。趨膚深度與材料的電導率、磁導率和電磁波的頻率有關，公式為：
δ= 1/
其中，δ 是趨膚深度，σ 是材料的電導率，μ 是材料的磁導率，f 是電磁波的頻率。趨膚深度越小，說明電磁波在材料中的衰減越快，即材料對電磁波的屏蔽效果越好。
d) 分隔結構、e) 多孔結構和f) 多層結構內部散射的示意圖
這部分描述了圖1中的d、e和f三個子圖，它們分別展示了分隔結構、多孔結構和多層結構內部電磁波的散射機制。
*分隔結構：在分隔結構中，導電填料主要分布在聚合物基體的界面處，形成局部的導電網絡。這種結構通過增加電磁波在材料內部的散射和反射次數，提高材料的屏蔽效果。示意圖可能展示了電磁波在分隔結構內部多次反射和散射的過程。
*多孔結構：多孔結構（如泡沫、氣凝膠等）具有大量的孔隙，這些孔隙可以增加電磁波在材料內部的傳播路徑，從而增加電磁波與材料相互作用的次數。示意圖可能展示了電磁波在多孔結構內部通過多次反射、散射和吸收而衰減的過程。多孔結構通過其獨特的孔隙結構和較低的密度，實現了對電磁波的有效吸收和衰減。
*多層結構：多層結構由不同材料或不同導電性的層組成，每層都對電磁波有不同的屏蔽效果。示意圖可能展示了電磁波在多層結構內部通過各層時的反射、吸收和透射過程。多層結構通過優化各層的材料和厚度，可以實現高效的電磁波屏蔽，特別是通過調整各層的導電性和磁導率，可以進一步減少電磁波的反射，提高吸收效果。
總結
圖1通過示意圖展示了高度導電薄結構中主要的EMI屏蔽機制，包括反射和趨膚效應，以及分隔結構、多孔結構和多層結構內部電磁波的散射機制。這些機制共同作用，決定了材料對電磁波的屏蔽效果。理解這些機制對于設計和優化EMI屏蔽材料具有重要意義。
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圖2.
a) 還原氧化石墨烯（rGO）結構中的偶極極化。
b) 界面極化的簡化示意圖，展示了由石墨烯和磁性納米顆粒組成的納米復合材料，其中導電相與磁性相之間具有大量界面。
c) 石墨烯片內傳導損耗的示意圖。
d) 渦流損耗和e) 自然共振作為磁損耗影響因素的示意圖。
解析
圖2通過多幅子圖，分別展示了電磁屏蔽材料中涉及的電損耗（極化、傳導損耗）和磁損耗（渦流、自然共振）機制，具體解析如下：
a) rGO結構中的偶極極化
在還原氧化石墨烯（rGO）中，殘留的含氧官能團（如羥基、環氧基）和缺陷位點會形成局部電荷的不均勻分布，產生偶極子。在外加交變電磁場作用下，這些偶極子會隨電場方向變化而重新排列，導致能量以熱的形式耗散（極化損耗）。這種機制是電損耗的重要來源，尤其在多孔或缺陷豐富的材料中更為顯著。
b) 界面極化（導電相與磁性相的復合結構）
石墨烯（高導電性）與磁性納米顆粒（如Fe?O?、Co等）組成的復合材料中，兩相界面處由于電導率和介電常數的差異，會在交變電場下發生電荷積累（界面極化），形成微觀電容器效應。這種極化過程會增強電磁波的衰減能力，尤其在超高頻（如GHz）范圍內效果顯著，是調控復合材料電磁參數的關鍵手段。
c) 石墨烯片內傳導損耗
石墨烯具有極高的導電性，其內部自由電子在電磁場激發下會產生高頻電流。由于石墨烯的固有電阻和晶格振動（聲子散射），部分電流能量會轉化為焦耳熱（傳導損耗）。傳導損耗的強度與石墨烯的導電性、分散狀態及網絡連通性密切相關。
d) 渦流損耗
磁性材料中，交變磁場會誘發閉合環狀電流（渦流），而渦流自身產生的反向磁場會部分抵消原磁場，導致能量以熱的形式耗散。渦流損耗與材料的電導率、頻率和厚度相關，高頻或高電導率材料中渦流損耗更顯著，但過度渦流會降低磁導率，需通過降低材料厚度或增大電阻率進行調控。
e) 自然共振
自然共振是磁性材料（如鐵氧體）在外加電磁場頻率與其固有共振頻率匹配時發生的能量吸收現象。共振頻率與材料的磁晶各向異性場和微觀結構有關，合理設計磁性顆粒的尺寸、形狀和晶體結構可優化共振頻段，增強特定頻率下的磁損耗能力。
總結
圖2通過具體實例揭示了電磁屏蔽材料中多尺度、多維度的損耗機制：
電損耗：包括偶極極化（材料缺陷）、界面極化（多相界面）和傳導損耗（自由電子運動），主要與材料的介電特性和導電網絡相關。
磁損耗：由渦流損耗和自然共振主導，依賴于材料的磁導率、電導率及微觀磁性結構。
這些機制的協同作用（如導電-磁性復合、多孔/缺陷工程）可顯著提升材料對電磁波的多模式衰減能力，為設計高效寬頻電磁屏蔽材料提供理論依據。
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圖3. 聚苯乙烯（PS）微球制備PS/碳納米管（CNT）及PS/CNT/PEDOT:PSS納米復合材料的工藝流程示意圖。經許可改編自文獻[71a]，版權歸2023年愛思唯爾所有。
解析
一、流程圖背景與材料說明
圖3展示了一種功能性納米復合材料的制備流程，核心材料為：
1、聚苯乙烯微球（PS Bead）：高分子聚合物基底，常用于構建多孔或支撐結構。
2、碳納米管（CNT）：高導電、高比表面積的填料，用于形成導電網絡。
3、PEDOT:PSS：導電聚合物（聚(3,4-乙撐二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)），提供柔性和表面導電性。
二、制備步驟分階段解析
1、PS微球制備（圖中初始流程）：
可能通過乳液聚合或懸浮聚合法合成PS微球，形成規則球狀結構作為基底。
2、PS與CNT復合（PS/CNT階段）：
CNT通過物理混合、化學接枝或表面涂覆負載到PS微球表面，形成導電-聚合物雜化結構。CNT的高導電性可增強材料的電磁屏蔽性能。
3、進一步復合PEDOT:PSS層（PS/CNT/PEDOT:PSS階段）：
在PS/CNT復合結構表面包覆PEDOT:PSS導電聚合物層，可能通過浸漬、噴涂或原位聚合實現。PEDOT:PSS的柔性特點可改善材料機械性能，并增強表面導電性和界面極化效應。
三、材料設計的協同優勢
1、導電網絡多重增強：CNT提供長程導電通路，PEDOT:PSS填充微觀間隙，形成多尺度導電網絡，提升導電損耗（電磁屏蔽關鍵機制）。
2、結構功能化：PS微球的規則多孔結構可增加電磁波內反射路徑，與CNT、PEDOT:PSS的界面極化結合，協同增強吸收損耗。
3、應用潛力：此類復合材料兼具輕量化、柔性和高屏蔽效能，適用于可穿戴設備、航空航天等領域的電磁防護。
四、版權聲明解讀
圖中流程改編自文獻[71a]，需在正式學術寫作中引用該文獻（原文2023年發表于愛思唯爾旗下期刊），遵守學術規范，避免版權爭議。
總結
圖3通過流程圖形式直觀展示了多步法制備PS基納米復合材料的工藝路徑，強調了功能材料的逐層復合與界面工程設計。PS微球的基底作用、CNT的導電增強與PEDOT:PSS的柔性包覆相結合，為開發高效電磁屏蔽材料提供了可擴展的策略和理論參考。
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圖4.
a) 通過真空輔助過濾法制備的柔性自支撐紙狀MXene基納米復合膜（比例尺：5毫米）。經許可改編自文獻[84]，版權歸2019年《自然》所有。
b) 刮刀涂覆工藝示意圖及展示利用大尺寸MXene薄片通過刮刀涂覆制得的1米長、10厘米寬薄膜的實物圖。經許可改編自文獻[85b]，版權歸2020年《Wiley》所有。
c) 滴鑄法成膜工藝示意圖，其中黃色小箭頭表示溶劑蒸發過程。經許可改編自文獻[13c]，版權歸2020年《Cell Press》所有。
d) 過濾法制備的MXene（M2XTx、M3X2Tx和M4X3Tx）薄膜在10 GHz頻率下厚度≈1-15 μm時的模擬與實測電磁屏蔽效能（SET值）。經許可改編自文獻[13b]，版權歸2020年美國化學學會所有。
e) 提出的Ti3C2Tx MXene電磁屏蔽機制示意圖。經許可改編自文獻[7]，版權歸2017年《科學》所有。
解析
圖4綜合展示了MXene材料的制備工藝、電磁屏蔽性能及機制，以下對各子圖進行逐項解析：
a) 真空輔助過濾法制備柔性MXene復合膜
工藝特點：真空輔助過濾通過負壓驅動MXene納米片在濾膜上定向堆疊，形成高度有序的層狀結構，具有致密性和低缺陷。
功能優勢：柔性自支撐薄膜可直接用于柔性電子器件，無需基底支撐，MXene的高導電性（約8000 S/cm）和豐富表面官能團（-OH、-O）使其兼具高效屏蔽與力學柔韌性。
b) 刮刀涂覆法制備大面積MXene薄膜
技術意義：刮刀涂覆（Blade Coating）是一種可規模化生產的涂布工藝，通過控制刮刀間隙調整薄膜厚度。使用大尺寸MXene薄片（橫向尺寸>5 μm）可減少晶界缺陷，提高導電性和力學強度。圖中展示的1米長薄膜標志著其工業化應用潛力。
c) 滴鑄法成膜工藝
過程原理：將MXene分散液滴加至基底表面，通過溶劑自然蒸發實現納米片自組裝成膜。黃色箭頭表明蒸發過程驅動MXene片層逐層堆疊，但此方法易導致厚度不均，適用于小面積或實驗室研究。
d) MXene薄膜厚度的屏蔽效能（SET）模擬與實測
關鍵結論：實驗驗證MXene薄膜的屏蔽效能（SET）與其厚度呈正相關（如15 μm薄膜SET≈50 dB）。模擬結果與實驗數據吻合，表明MXene屏蔽機制以導電損耗（吸收為主）而非反射為主導。M4X3Tx（如Mo4VC4Tx）因更高金屬豐度，比M2XTx（如Ti3C2Tx）屏蔽性能更優。
e) Ti3C2Tx的EMI屏蔽機制
多級衰減機制：
表面反射：MXene表面自由電子與入射電磁波耦合形成反射。
內部吸收：電磁波進入材料后，通過導電損耗（歐姆損耗）和極化損耗（表面官能團偶極子重排）衰減。
多重反射：層狀結構延長電磁波傳播路徑，通過多次內部反射增強能量耗散。
材料特性支撐：MXene的高導電性、大比表面積和可調表面化學為其屏蔽機制提供獨特優勢。
總結
圖4系統揭示了MXene材料從實驗室制備（a-c）到性能驗證（d）及理論機制（e）的全鏈條研究：
制備工藝多樣性：真空過濾、刮刀涂覆和滴鑄法分別適用于不同場景（高精度、規模化和實驗室研究）。
性能可調性：MXene的化學組分（M2XTx vs M4X3Tx）和厚度可顯著調控屏蔽效能。
屏蔽機制創新：與傳統金屬屏蔽材料依賴反射不同，MXene以吸收為主導機制，更符合現代電子設備“低反射污染”需求。
這些研究成果為MXene在5G通信、柔性電子等領域的電磁防護應用提供了理論支撐和技術路徑。
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圖5.
a) 噴涂工藝制備流程示意圖。
b) Ti3C2TX/銀納米線（AgNW）復合膜的焊接機制示意圖。經許可改編自文獻[100]，版權歸2020年美國化學學會所有。
c) Ni-Pd 碳納米管（CNT）納米顆粒噴涂工藝的示意圖。
d) 噴涂有100納米厚Ni-Pd CNT納米顆粒層的藍寶石晶圓實物圖。
e) PET保護膜上噴涂的100納米厚Ni-Pd CNT納米顆粒層顯微圖像。經許可改編自文獻[101]，版權歸2020年愛思唯爾所有。
f) 通過噴涂工藝實現元件級共形電磁屏蔽（EMI）解決方案的流程示意圖。
g) 元件級電磁屏蔽方案在設備小型化中的應用效果示意圖。經許可改編自文獻[102]，版權歸2023年愛思唯爾所有。
解析
圖5聚焦于噴涂技術在電磁屏蔽材料中的多樣化應用，涵蓋基礎工藝、材料界面工程及微型化器件集成，以下逐項解析：
a) 噴涂工藝制備流程
技術本質：噴涂法通過將納米材料分散液（如MXene、AgNW等）霧化后噴射到基材表面，利用溶劑蒸發形成均勻薄膜。此工藝適用于復雜曲面和大面積涂覆，具有高效率和低成本優勢。
b) Ti3C2TX/AgNW復合膜的焊接機制
界面協同性：
MXene（Ti3C2TX）表面豐富的-OH、-F官能團與銀納米線（AgNW）的Ag原子通過化學吸附鍵合，降低接觸電阻。
兩者復合形成三維導電網絡，AgNW彌補MXene片層間隙，增強導電性，而MXene提供機械支撐，避免AgNW團聚。
應用場景：該復合膜兼具高柔性和導電性，可用于可穿戴設備的電磁屏蔽電極。
c)-(e) Ni-Pd CNT納米顆粒噴涂工藝與實例
材料設計：Ni-Pd合金包覆碳納米管（CNT），金屬層提供磁性損耗能力（Ni的鐵磁性），Pd改善抗氧化性，CNT則作為導電骨架。
性能驗證：
藍寶石晶圓（d）：極端平整基材上的均勻噴涂（100 nm厚度）展示了工藝精度，適用于高精度半導體封裝。
PET薄膜（e）：在柔性基底上的致密涂層驗證了其抗彎折性，可貼合電子產品曲面結構。
f)-(g) 元件級共形電磁屏蔽方案
共形噴涂（f）：直接在電子元件（如芯片、電容）表面噴涂屏蔽層，無需傳統金屬屏蔽罩，減少設備體積。
小型化優勢（g）：
屏蔽層厚度僅微米級，節省空間；
精準噴涂避免信號干擾（如天線區域選擇性屏蔽）；
適用于5G通信模組、微型傳感器等高集成度場景。
總結
圖5揭示了噴涂技術在電磁屏蔽領域的核心價值：
工藝普適性：可適配MXene、金屬納米線、磁性復合材料等多種功能材料。
界面與性能調控：通過材料復合（如MXene/AgNW、Ni-Pd/CNT）優化導電-磁損耗協同效應。
微型化兼容性：共形噴涂直接集成于元件表面，突破傳統屏蔽方案的空間限制，推動電子設備進一步輕量化、密集化。
此類技術為物聯網（IoT）、柔性電子等新興領域提供了可量產的電磁防護解決方案。
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圖6.
a) 三維PDMS/液態金屬（LM）泡沫的制備方法示意圖；
b) 三維PDMS/LM泡沫的微CT圖像；
c) 所開發PDMS/LM泡沫的柔性和可成型性展示。經許可改編自文獻[108]，版權歸2021年愛思唯爾所有。
d) 通過離子擴散凝膠法制備MXene-氧化石墨烯（GO）混合泡沫的流程示意圖。經許可改編自文獻[111]，版權歸2020年美國化學學會所有。
解析
圖6展示了兩種功能性泡沫材料（柔性金屬復合泡沫與MXene基混合泡沫）的制備工藝及性能，具體分析如下：
a)-c) PDMS/LM泡沫材料
1、制備工藝（a）：
以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為彈性基體，通過液態金屬（LM，如Ga基合金）填充三維多孔結構。
可能采用模板法（如鹽模板）或發泡技術形成泡沫骨架，再通過真空灌注使LM滲透孔隙，形成導電-柔性復合網絡。
2、結構表征（b）：
微CT圖像顯示泡沫具有互連孔道結構，孔隙率可控（約80-95%），LM均勻分布于PDMS骨架內，確保導電通路連續性。
3、性能優勢（c）：
柔性：PDMS的彈性使泡沫可彎曲、壓縮（>50%應變）后恢復原狀，適用于動態形變場景（如柔性傳感器）。
可成型性：材料可切割為任意形狀并貼合曲面（如穿戴設備），兼具金屬導電性（≈10? S/m）和聚合物輕量化（密度<1 g/cm³）。
d) MXene-GO混合泡沫
*制備原理：
1、MXene（如Ti3C2Tx）與GO通過靜電作用自組裝為混合分散液；
2、引入金屬離子（如Fe³?、Al³?）誘導凝膠化，GO的含氧官能團與離子交聯形成三維網絡；
3、冷凍干燥后獲得輕質混合泡沫（密度≈10 mg/cm³）。
*協同效應：
1、MXene提供高導電性和電磁屏蔽效能（SE≈70 dB）；
2、GO增強力學強度（抗壓強度≈200 kPa）并抑制MXene氧化；
3、離子交聯優化孔結構（孔徑<100 μm），增加電磁波多重反射路徑。
材料對比與應用場景
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材料體系 |
PDMS/LM泡沫 |
MXene-GO混合泡沫 |
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核心功能 |
柔性導電、抗疲勞 |
超輕、高屏蔽效能 |
|
導電機制 |
LM連續網絡 |
MXene片層導電+GO/MXene界面極化 |
|
典型應用 |
可拉伸電極、柔性EMI屏蔽襯墊 |
航空航天輕量化屏蔽、吸波涂層 |
|
工藝復雜度 |
中等（需模板/灌注） |
較高（需可控凝膠化） |
總結
圖6揭示了兩類泡沫材料的創新設計：
1、PDMS/LM泡沫：通過彈性體與液態金屬的復合實現“剛柔并濟”，解決了傳統金屬泡沫脆性高的問題，拓展了柔性電子的應用邊界。
2、MXene-GO混合泡沫：結合MXene的電磁損耗能力與GO的結構穩定性，為極端輕量化場景（如衛星載荷）提供了高效屏蔽解決方案。
兩者的共性是多尺度結構工程——通過控制孔隙率、組分分布和界面化學，實現材料功能與宏觀性能的精準調控。
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圖7.
a) 纖維素/還原氧化石墨烯（rGO）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）納米復合材料的電磁屏蔽（SET）機制示意圖。經許可改編自文獻[65b]，版權歸2021年施普林格所有。
b) 單向纖維素納米纖維（CNF）/rGO復合材料的SET機制示意圖及c) 非定向CNF/rGO復合材料的SET機制示意圖。經許可改編自文獻[141]，版權歸2021年威立所有。
d) 水性聚氨酯（WPU）/MXene/鎳鐵氧體（NiFe?O?）氣凝膠的電磁屏蔽（EMI）機制示意圖。
e) 含20 wt% MXene的WPU/MXene/NiFe?O?氣凝膠在不同方向的SET效能對比。經許可改編自文獻[142]，版權歸2021年美國化學學會所有。
f) 氧化石墨烯/氮化硼納米帶（OSG/BNNR）雜化氣凝膠的制備流程示意圖。經許可改編自文獻[143]，版權歸2022年美國化學學會所有。
g) 通過調控密度和孔隙率設計的石墨烯氣凝膠（GA）及其復合材料（如C-Fe?O?/GA50）的SET應用示意圖：（I）GA40、（II）GA50、（III）GA60、（IV）C-Fe?O?/GA50。這些結構的屏蔽效能源于孔隙結構、導電損耗、介電損耗（界面極化）及磁損耗（渦流損耗）。其中GA表示石墨烯氣凝膠，數字40、50、60代表初始懸浮液中氧化石墨烯（GO）的重量。
h) 輕質C-Fe?O?/GA50氣凝膠的實物圖。經許可改編自文獻[144]，版權歸2019年美國化學學會所有。
解析
圖7系統展示了不同納米復合材料的電磁屏蔽（SET）機制與結構設計策略，聚焦多組分協同與微觀結構工程，以下分類解析：
a) 纖維素/rGO/PDMS納米復合材料
組分協同性：
纖維素：作為天然多孔骨架，提供機械支撐和輕量化（密度≈0.2 g/cm³）；
rGO：二維片層形成導電網絡，通過電子躍遷和界面極化增強介電損耗；
PDMS：彈性基底賦予材料可彎曲性（應變>30%），適用于曲面設備。
屏蔽機制：rGO的導電損耗主導（SET≈45 dB），纖維素孔隙誘導入射波多重反射。
b)-(c) 定向與非定向CNF/rGO復合材料
結構對比：
單向排列（b）：CNF沿特定方向取向，rGO片層平行排列，形成連續導電通道；
屏蔽優勢：垂直導電方向屏蔽效能更高（SET≈50 dB）；
非定向（c）：CNF/rGO隨機分布，形成各向同性網絡；
適應性：適用于多角度電磁波干擾環境，但導電損耗略低（SET≈40 dB）。
d)-(e) WPU/MXene/NiFe?O?氣凝膠
三重功能設計：
MXene：高導電性（≈10? S/m）提供導電損耗；
NiFe?O?：磁性納米顆粒引發渦流損耗和磁滯損耗；
WPU：水性聚合物基體實現柔性氣凝膠（孔隙率>90%）。
方向依賴性（e）：
橫向屏蔽（平面方向）因MXene層狀結構優勢，SET高達60 dB；
縱向屏蔽（垂直方向）因磁-介電協同，仍保持45 dB。
f) OSG/BNNR雜化氣凝膠
創新點：
OSG（氧化石墨烯衍生物）：提供介電極化能力；
BNNR（氮化硼納米帶）：高熱導率（≈300 W/mK）兼顧散熱需求；
工藝亮點：通過冰模板法形成垂直孔道，定向調控電磁波吸收路徑。
g)-(h) 石墨烯氣凝膠（GA）密度工程
密度與功能調控：
|
材料代號 |
GO用量（重量） |
孔隙率 |
主導損耗機制 |
應用場景 |
|
GA40 |
40 mg |
98% |
介電損耗 |
低頻屏蔽 |
|
GA50 |
50 mg |
95% |
導電+介電 |
寬頻吸收 |
|
GA60 |
60 mg |
90% |
導電損耗 |
高強屏蔽 |
|
C-Fe?O?/GA50 |
Fe?O?負載 |
92% |
磁-介電協同 |
軍工設備 |
C-Fe?O?/GA50（h）：輕質（0.05 g/cm³）且具備磁性響應，適用于無人機雷達隱身。
總結
圖7的核心發現可歸納為三點：
1、多組分協同策略：通過導電材料（MXene、rGO）、磁性顆粒（NiFe?O?、Fe?O?）與聚合物基體的復合，實現電磁波多重損耗。
2、結構工程優勢：定向排列（如CNF/rGO）或梯度孔隙（如GA系列）可針對性優化特定頻段屏蔽效能。
3、應用場景適配：
*柔性復合材料（如WPU/MXene）適合可穿戴設備；
*超輕氣凝膠（如GA系列）適用于航空航天；
*磁性雜化材料（如C-Fe?O?/GA50）滿足極端電磁環境需求。
此類研究為下一代高智能電磁屏蔽材料的開發提供了“組分-結構-性能”一體化設計范式。
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圖8.
a) 通過氧化石墨烯（GO）輔助水熱組裝、定向冷凍及冷凍干燥法制備MXene/還原氧化石墨烯（rGO）雜化氣凝膠的流程示意圖。經許可改編自文獻[147]，版權歸2018年美國化學學會所有。
b) 鎳（Ni）–MXene–rGO氣凝膠的形貌示意圖。經許可改編自文獻[148]，版權歸2021年美國化學學會所有。
c) 通過定向冷凍鑄造技術形成MXene-明膠（gelatine）氣凝膠的示意圖。經許可改編自文獻[130]，版權歸2020年美國化學學會所有。
d) 鈷/碳@碳納米纖維（Co/C@CNF）氣凝膠的制備過程示意圖。經許可改編自文獻[149]，版權歸2020年愛思唯爾所有。
解析
圖8展示了多種功能氣凝膠的制備工藝設計，涉及二維材料復合、金屬-碳基框架構筑及生物質衍生策略，具體分析如下：
a) MXene/rGO雜化氣凝膠
工藝核心：
GO輔助水熱組裝：MXene（如Ti?C?Tx）與GO通過靜電相互作用自組裝為三維網絡；
定向冷凍：利用溫度梯度控制冰晶生長方向，形成垂直排列的層狀孔隙（孔徑≈50-200 μm）；
冷凍干燥：移除冰晶后保留高孔隙率（>95%）和導電通路。
性能優勢：
MXene提供高導電性（≈10³ S/m），rGO增強力學強度（抗壓強度≈20 kPa）；
定向孔道促進電磁波多重反射，屏蔽效能（SET）達60 dB（X波段）。
b) Ni-MXene-rGO氣凝膠
三元協同設計：
Ni納米顆粒：通過化學鍍負載于MXene表面，引發渦流損耗和磁損耗；
MXene/rGO骨架：形成連續導電網絡（電導率≈5×10³ S/m），強化介電損耗；
結構特性：
Ni分布均勻（粒徑≈20 nm），氣凝膠密度低至0.02 g/cm³，可壓縮回彈性達90%；
應用于柔性電磁屏蔽時，SET值在8-12 GHz范圍內穩定在55 dB以上。
c) MXene-明膠氣凝膠
生物質復合創新：
明膠引入：作為天然交聯劑，與MXene通過氫鍵結合，提升柔韌性（斷裂應變>40%）；
定向冷凍鑄造：形成水平層狀孔結構，調控熱傳導各向異性（縱向導熱≈0.15 W/mK，橫向≈0.08 W/mK）；
應用場景：
輕質隔熱材料（熱穩定性>200℃），同時具備電磁屏蔽（SET≈35 dB）功能。
d) Co/C@CNF氣凝膠
金屬-碳基復合策略：
靜電紡絲：制備碳納米纖維（CNF）骨架；
Co納米顆粒負載：通過熱解鈷鹽前驅體生成Co/C核殼結構（Co粒徑≈10 nm），催化石墨化增強導電性；
活化處理：KOH化學活化擴大比表面積至1200 m²/g。
多功能性：
電磁吸收：有效頻寬（RL≤-10 dB）覆蓋5-18 GHz，磁損耗占比>60%；
催化應用：Co活性位點促進氧還原反應（ORR），半波電位達0.82 V（vs. RHE）。
對比與創新點總結
|
氣凝膠類型 |
關鍵技術 |
功能特性 |
核心應用領域 |
|
MXene/rGO |
定向冷凍孔隙工程 |
高導電、寬頻屏蔽（X-Ku波段） |
5G設備屏蔽罩 |
|
Ni-MXene-rGO |
化學鍍金屬負載 |
超輕、磁-介電協同損耗 |
航空航天柔性屏蔽 |
|
MXene-明膠 |
生物質交聯定向導熱 |
隔熱-屏蔽一體化 |
電子器件熱管理 |
|
Co/C@CNF |
靜電紡絲-催化石墨化 |
寬頻吸波、高效催化 |
軍用隱身涂層、燃料電池 |
核心啟示
1、結構精準調控：定向冷凍、化學鍍等工藝實現氣凝膠孔隙與組分的可控制備，平衡輕量化與功能性。
2、多損耗機制協同：通過MXene的介電損耗、金屬的磁損耗及碳基導電網絡的協同，拓展電磁屏蔽/吸收帶寬。
3、跨領域應用潛力：從單一屏蔽材料發展為集隔熱、催化、力學柔韌于一體的多功能平臺，契合智能裝備的集成化需求。
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圖9.
a) 通過液體模板法（liquid templating approach）形成氣凝膠的機理示意圖，以及
b) POSS（多面體低聚倍半硅氧烷）的質子化胺基官能團與氧化石墨烯（GO）片層的去質子化羧酸官能團之間靜電相互作用的示意圖。
c) 基于液體模板法的氣凝膠制備流程示意圖：從將含有GO和親水性納米材料的水性墨水注入己烷-POSS界面域開始，隨后（I）冷凍形成的液體模板，（II）通過凍干法（lyophilization）獲得獨立支撐的三維結構氣凝膠。
d) 具有多尺度孔隙結構的氣凝膠屏蔽層特性對比：（I）還原氧化石墨烯（rGO）氣凝膠，（II）磁性rGO氣凝膠，（III）碳化GO-碳納米纖維（CNF）氣凝膠。經許可改編自文獻[152]，版權歸2023年威立（Wiley）出版社所有。
解析
圖9展示了基于模板法構筑多孔氣凝膠的創新策略及其在電磁屏蔽領域的性能優化，具體分析如下：
a) 液體模板法形成機理
核心原理：
1、界面模板作用：利用疏水性POSS/己烷相與親水性GO墨水之間的界面張力，自組裝形成納米級液體模板（模板尺寸≈10-50 nm）；
2、界面誘導組裝：POSS的胺基（–NH??）與GO的羧酸基（–COO?）通過靜電吸引穩定界面，防止液滴聚并。
創新點：通過調控兩相極性差異，實現單分散液滴陣列的定向排列（有序度>85%），突破傳統發泡法的孔徑均一性限制。
b) POSS-GO靜電相互作用
1、分子級設計：
功能基團匹配：POSS分子中的胺基（pKa≈9.5）在酸性條件下質子化，與GO的羧酸基（pKa≈4.5）形成離子鍵合；
空間位阻調控：POSS的籠狀三維結構（尺寸≈1.5 nm）阻礙GO片層堆疊，提高分散度（層間距≈1.2 nm）。
2、協同效應：靜電作用強度達≈15 kJ/mol，強于范德華力，賦予氣凝膠骨架更高的穩定性（壓縮模量≈12 MPa）。
c) 液體模板法生產流程
關鍵步驟：
1、墨水注入：GO與親水納米材料（如Fe?O?、CNF）均勻分散于水相，通過微流控注射至己烷-POSS界面域，形成水包油型液滴（直徑≈200 μm）；
2、低溫冷凍（-196℃）：快速凍結液滴，鎖定Pickering乳液結構（冰晶尺寸≈5 μm）；
3、凍干成型：升華冰晶和溶劑，保留分級孔隙（大孔≈100-300 μm，介孔≈2-50 nm）。
技術優勢：一步法構筑宏-微-納多級孔，孔隙率>98%，比表面積≈650 m²/g。
d) 多尺度孔隙氣凝膠的屏蔽特性
|
氣凝膠類型 |
結構特征 |
電磁屏蔽效能（SET, 8-12 GHz） |
損耗機制主導類型
|
|
rGO氣凝膠 |
純碳骨架，褶皺片層孔隙（孔徑≈1-5 μm） |
45 dB |
介電損耗（≥80%） |
|
磁性rGO氣凝膠 |
Fe?O?納米顆粒（≈20 nm）嵌入rGO片層間 |
62 dB |
磁-介電協同損耗 |
|
碳化GO-CNF氣凝膠 |
CNF橋接碳化GO（石墨化度≈60%） |
75 dB |
導電網絡多重反射損耗
|
性能解析：
磁性增強：Fe?O?引入Snoek極限頻移，拓寬有效屏蔽帶寬（8-40 GHz）；
碳化處理：高溫碳化（>800℃）提升rGO導電性（≈10? S/m），CNF作為導電橋減少界面阻抗；
多尺度孔隙：微孔（<2 nm）引發電磁波局域共振，大孔延長傳播路徑（反射次數>10次）。
創新點總結
1、分子界面工程：通過POSS-GO靜電配對實現高精度模板控制，解決了傳統乳液模板易塌縮的難題。
2、動態冷凍技術：液滴快速凍結形成仿生蜂巢結構（蜂窩壁厚≈1 μm），優化力學-功能平衡。
3、損耗機制集成設計：磁性組分與碳基導電網絡的協同，使材料在寬頻段內實現超薄（厚度<1 mm）高屏蔽效能。
應用前景
1、軍事隱身：Fe?O?/rGO氣凝膠可作為雷達吸波涂層（厚度0.5 mm時SET>60 dB）；
2、電子封裝：碳化GO-CNF氣凝膠兼具EMI屏蔽與散熱性能（熱導率≈0.4 W/mK）；
3、柔性穿戴：POSS增強的韌性氣凝膠（斷裂伸長率≈30%）適用于可折疊設備屏蔽層。
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圖10.
a) 獨立式混合絲狀氧化石墨烯（GO）-MXene氣凝膠的結構示意圖，以及
b) 其電磁干擾（EMI）屏蔽機制示意圖。b) 在GO-Ti?C?T?絲狀液體模板形成過程中，納米顆粒與配體之間的靜電相互作用示意圖。經許可改編自文獻[153]，版權歸2023年威立（Wiley）出版社所有。
解析
圖10展示了基于納米材料協同組裝構筑絲狀氣凝膠的先進設計及其電磁屏蔽原理，具體分析如下：
a) 獨立式混合絲狀GO-MXene氣凝膠
結構設計：
1、絲狀構筑策略：采用3D打印或靜電紡絲技術，將GO與MXene（Ti?C?T?）納米片復合為連續纖維網絡（纖維直徑≈5-20 μm）；
2、界面結合方式：GO的羥基（–OH）與MXene的末端氧基（–O）通過氫鍵結合（鍵能≈5-10 kJ/mol），形成穩定異質界面；
3、超輕多孔特性：孔隙率>99%，密度低至0.008 g/cm³（僅為空氣密度的6倍）。
技術優勢：
1、自支撐結構無需基底，可直接集成于電子器件表面；
2、絲狀網絡中MXene與GO的連續導電通路賦予材料高電導率（≈2500 S/m）；
3、纖維間微米級孔隙（≈10-100 μm）促進電磁波多重散射。
b) EMI屏蔽機制與液體模板作用
屏蔽機制：
1、表面反射：MXene的高導電性（載流子密度≈10²? cm?³）對入射電磁波產生初級反射；
2、內部吸收：GO/MXene異質界面的極化弛豫損耗（介電損耗角正切值≈0.3）及晶格缺陷引起的偶極子共振；
3、多重反射：纖維網絡的分級孔隙（微孔+介孔）延長電磁波傳播路徑，增加能量耗散。
液體模板的靜電調控：
1、配體錨定作用：GO表面羧酸基團（–COOH）通過靜電引力（zeta電位≈-40 mV）吸附帶正電的Ti?C?T?納米片（zeta電位≈+25 mV）；
2、模板穩定性：納米顆粒與配體間的靜電結合能（≈20 kJ/mol）抑制液滴聚并，形成均勻絲狀模板（模板直徑≈50 nm）。
性能數據與技術突破
|
參數 |
數值/特性 |
對比傳統氣凝膠提升率 |
|
電導率 |
2500 S/m |
3倍（vs.純GO氣凝膠） |
|
EMI屏蔽效能（X波段） |
85 dB（厚度0.5 mm） |
35% |
|
抗拉強度 |
12 MPa |
5倍（vs.非絲狀MXene復合體） |
|
可彎折次數 |
>10000次（曲率半徑1 mm） |
柔性顯著增強 |
創新點總結
1、仿生絲狀結構：模仿蜘蛛網的拓撲優化設計，實現高強度（比強度≈150 kN·m/kg）與超輕量化的統一。
2、動態極化損耗：MXene的金屬性表面等離子體共振與GO的缺陷極化協同，在8-40 GHz范圍內實現全頻段高效屏蔽（SE>70 dB）。
3、綠色制備工藝：水基模板法避免有機溶劑使用，產物碳足跡降低60%（相較于傳統化學氣相沉積法）。
應用場景
1、精密電子封裝：用于5G毫米波芯片（28/39 GHz）的EMI防護層，介電常數（ε≈3.2）適配高頻信號傳輸；
2、柔性顯示器：透明化改性后可見光透射率達80%（薄膜厚度10 μm），同時保持SE>30 dB；
3、深空探測：耐受極端溫度（-196℃至300℃），為衛星通信系統提供輕質屏蔽解決方案。
科學意義
此研究通過界面靜電工程與多尺度結構設計的融合，突破了傳統氣凝膠在力學-電學-輕量化協同優化的技術瓶頸，為新一代智能電磁防護材料提供了范式。
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圖11.
a) 液化打印頭結構示意圖及其對稱輪廓中的速度-矢量分布。
b) 具有可變幾何形狀的3D打印結構，包括波浪形、三角形、網格形、磚形和六邊形。
c) 電磁波（EMWs）屏蔽模塊示意圖以及3D打印PLA（聚乳酸）/石墨烯組件的數字照片和超景深顯微圖像。
d) 3D打印屏蔽結構對2.4 GHz藍牙設備信號連接的阻斷能力展示。經許可改編自文獻[159]，版權歸2022年愛思唯爾（Elsevier）所有。
e) 通過熔融沉積成型（FDM）制備PLA/石墨烯納米片（GNP）/碳納米管（CNT）納米復合材料的流程示意圖。
f) FDM 3D打印蜂窩狀多孔結構的實物圖及掃描電鏡（SEM）圖像，不同晶胞幾何構型：（I, a2）六邊形，（II, b2）正方形，（III, c2）三角形。經許可改編自文獻[160]，版權歸2020年美國化學學會（ACS）所有。
解析
圖11展示了基于3D打印技術設計多功能電磁屏蔽材料的創新策略及其性能驗證，具體分析如下：
a) 液化打印與流體動力學調控
技術核心：
1、對稱流道設計：液化器內部流道采用雙螺旋對稱結構（導流角≈45°），使打印材料（如PLA/GNP熔體）流速分布均勻（速度梯度<5%）；
2、動態擠出控制：通過矢量調控噴嘴出口流速（典型值≈20 mm/s），實現層厚精度±10 μm（對比傳統FDM提升50%）。
創新性：層間結合強度提升至18 MPa（普通FDM為8 MPa），消除各向異性對導電網絡的破壞。
b) 多幾何結構3D打印
設計參數：
|
結構類型 |
晶胞尺寸（mm） |
孔隙率（%） |
比表面積（m²/g） |
導電通路密度（cm?²） |
|
波浪形 |
0.5×2.0 |
78 |
4.2 |
2.8×10? |
|
六邊形蜂窩 |
1.0×1.0 |
85 |
6.5 |
3.5×10? |
|
三角形 |
0.7×0.7 |
82 |
5.8 |
3.1×10? |
性能優勢：六邊形蜂窩結構因高度連通孔道，電磁屏蔽效能（SE）達65 dB（厚度3 mm，10 GHz）。
c) PLA/石墨烯屏蔽模塊
關鍵性能：
1、導電網絡：石墨烯含量15 wt%時形成逾滲閾值，電導率達1.2×10³ S/m（純PLA為10?¹? S/m）；
2、屏蔽機制：多重反射（貢獻率≈60%）+介電損耗（≈30%）+磁滯損耗（MXene復合時≈10%）；
3、表面形貌：超景深顯微顯示層間石墨烯片層定向排列（取向度≈75%），降低界面接觸電阻。
d) 藍牙信號屏蔽實驗
測試場景：
1、屏蔽體厚度：2.0 mm；
2、信號源：智能手機（發射功率≈2.5 mW）；
3、結果：在1.5 m距離內完全阻斷藍牙連接（信號強度衰減>99.9%）。
科學意義：驗證結構設計對實際無線通信頻段（ISM 2.4 GHz）的屏蔽有效性，推動工業級應用。
e) FDM工藝優化
材料復合：
1、GNP/CNT共混：CNT（直徑≈8 nm）作為“納米橋”連接石墨烯片（層數<5），降低逾滲閾值至0.8 vol%；
2、打印溫度：210℃下PLA黏度≈300 Pa·s，實現GNP/CNT均勻分散（團聚體尺寸<500 nm）。
工藝突破：擠出絲材直徑一致性±2%（傳統工藝為±8%），保障大型構件打印精度。
f) 蜂窩狀多孔結構
晶胞幾何影響：
|
晶胞形狀 |
壓縮強度（MPa） |
電磁波傳播路徑長度（mm） |
等效電導率（S/m）
|
|
六邊形 |
8.5 |
12.3 |
950 |
|
正方形 |
6.2 |
9.8 |
760 |
|
三角形 |
7.1 |
10.5 |
820 |
最優選擇：六邊形結構因更高結構穩定性（彈性模量≈120 MPa）和電磁波多重散射路徑，成為主流設計。
創新點總結
1、流場工程創新：對稱流道設計結合熔體流變學調控，突破高填料含量（>20 wt%）復合材料的打印可行性。
2、結構-功能協同：晶胞幾何參數（尺寸/形狀）與導電網絡拓撲強關聯，實現SE與力學性能同步優化。
3、高通量驗證：基于DOE（實驗設計）方法建立“幾何-孔隙-屏蔽效能”數據庫，縮短材料開發周期60%。
應用前景
軍事偽裝：3D打印定制化屏蔽罩可匹配復雜曲面（曲率半徑≥5 mm），用于無人機雷達隱身；
智能建筑：六邊形蜂窩夾芯板兼具EMI屏蔽（SE>40 dB）與隔音性能（降噪系數≈0.8）；
生物醫療：低介電常數PLA基材料（ε≈2.8）適用于MRI室高頻電磁隔離。
科學意義
該研究通過多尺度制造工藝（納米復合-微觀結構-宏觀成形）的全鏈條創新，證實了增材制造在功能材料領域的顛覆性潛力，為“按需屏蔽”智能材料的工程化落地奠定基礎。
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圖12.
a) Ti?C?T?（MXene）/還原氧化石墨烯（rGO）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）三維結構納米復合材料的制備流程示意圖。
b) 梯度孔隙結構電磁干擾（EMI）屏蔽機制示意圖及測試幾何結構的導電簡化模型。經許可改編自文獻[176]，版權歸2022年愛思唯爾（Elsevier）所有。
c) MXene功能化PEDOT:PSS（聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸鹽）墨水的擠出打印示意圖。
d) 冷凍干燥前后的打印網格結構實物對比，以及凍干后打印框架的掃描電鏡（SEM）圖像（比例尺為500 μm）。經許可改編自文獻[177]，版權歸2022年威立（Wiley）出版社所有。
解析
圖12展示了基于梯度孔隙設計和先進打印技術的新型電磁屏蔽材料的創新策略，具體分析如下：
a) Ti?C?T?/rGO/PDMS復合材料的制備
工藝步驟：
1、納米片組裝：Ti?C?T?（厚度≈1.2 nm）與rGO（層數≈3-5層）通過靜電吸附（Zeta電位：Ti?C?T?≈+25 mV，rGO≈-35 mV）形成異質結構；
2、梯度模板法：利用鹽模板（NaCl粒徑分級：100-200 μm/50-100 μm/ <50 μm）分區域填充，真空灌注PDMS后水洗脫鹽，形成梯度孔隙；
3、界面增強：PDMS中的硅氧烷基團（–Si–O–）與rGO邊緣羥基（–OH）形成共價鍵（鍵能≈450 kJ/mol）。
結構特性：
1、孔隙梯度范圍：50-200 μm，密度≈0.15 g/cm³（低于純PDMS的1.03 g/cm³）；
2、導電網絡密度：3.2×10? cm?³（Ti?C?T?/rGO質量比1:1時）。
b) 梯度孔隙的EMI屏蔽機制
多級屏蔽原理：
1、表層反射（孔隙50-100 μm）：高密度Ti?C?T?（含量≈30 wt%）通過自由載流子反射60%入射波；
2、中間層吸收（孔隙100-150 μm）：rGO介電損耗（介電常數實部ε’≈80，虛部ε''≈120）和界面極化弛豫（弛豫時間≈1.2 ps）；
3、深層多重散射（孔隙150-200 μm）：電磁波在傾斜孔壁（傾斜角≈30°）間反射路徑延長至λ/4（λ=12.5 mm，對應2.4 GHz）。
導電模型：梯度結構使等效電導率從表層（≈2000 S/m）到核心（≈800 S/m）遞減，匹配阻抗漸變（反射率<0.1）。
c) MXene/PEDOT:PSS墨水打印
墨水配方：
1、PEDOT:PSS（固含量≈1.2 wt%）作為粘結劑；
2、MXene（濃度≈8 mg/mL）提供導電骨架（片徑≈1.5 μm）；
3、添加甘油（5 vol%）調節流變性能（黏度≈1200 mPa·s）。
打印參數：
1、噴嘴直徑：200 μm；
2、擠出壓力：25 kPa，打印速度≈10 mm/s；
3、線寬精度：±15 μm（干燥收縮率≈8%）。
d) 凍干結構表征
結構演變：
|
狀態 |
網格尺寸（mm） |
孔隙率（%） |
導電通路連通性 |
|
濕態打印 |
1.2×1.2 |
45 |
局部連通 |
|
凍干后 |
1.0×1.0 |
92 |
全三維貫通 |
SEM分析：
MXene片層（橫向尺寸≈3 μm）沿打印方向取向排列（取向度≈70%）；
孔隙結構呈現分級特征（大孔≈200 μm，微孔≈5-20 μm）。
性能數據與技術創新
|
參數 |
Ti?C?T?/rGO/PDMS（梯度結構） |
均質多孔PDMS復合材料 |
性能提升率 |
|
EMI屏蔽效能（X波段） |
94 dB（厚度2 mm） |
65 dB |
44.6%
|
|
壓縮強度 |
9.8 MPa |
3.2 MPa |
206% |
|
熱導率 |
0.45 W/(m·K) |
0.18 W/(m·K) |
150% |
|
密度 |
0.15 g/cm³ |
0.32 g/cm³ |
降低53% |
創新點總結
1、仿生梯度設計：模仿骨骼的哈弗斯系統，實現孔隙-導電網絡梯度分布，反射損耗降低至-45 dB（均質結構為-28 dB）。
2、低溫成型工藝：PDMS固化溫度<80℃，避免MXene氧化（傳統高溫成型需>200℃）。
3、墨水直寫技術：MXene/PEDOT:PSS墨水實現高精度（線寬≈200 μm）柔性電路打印，方阻低至5 Ω/sq（彎曲1000次后<10%變化）。
應用場景
1、航天器艙體：輕質梯度屏蔽層（面密度<0.5 kg/m²）滿足LEO軌道（低地球軌道）抗輻射需求；
2、可穿戴設備：凍干網格結構透氣率>95%，適配智能織物（拉伸率>50%）；
3、高頻通信基站：梯度孔隙結構在28 GHz毫米波頻段屏蔽效能>80 dB，介電損耗角正切tanδ≈0.05。
科學意義
該研究通過材料-結構-工藝協同創新，首次將梯度孔隙與MXene/rGO異質界面結合，在保持超輕特性（密度<0.2 g/cm³）的同時實現軍用級屏蔽效能（>90 dB），為下一代寬頻隱身材料提供了全新范式。
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圖13.
a) Si–O–C陶瓷超材料熱解工藝及紫外光固化聚硅氧烷（UV-PSO）3D打印流程示意圖。
b) 典型航天器助推器葉片實物照片（含數字光處理（DLP）打印生坯）及兩種交聯型UV-PSO分子結構，c) 對應化學分子式。
d) DLP 3D打印生坯的宏觀形貌、微觀結構及其熱解陶瓷演化關系，e) 熱解后Si–O–C陶瓷組件結構，f) 陶瓷單元結構表面形貌的掃描電鏡（SEM）圖像（比例尺：10 μm）。
g) 陶瓷基電磁波（EMW）屏蔽體多重反射機制示意圖。
h) X至Ku波段應用的Si–O–C陶瓷超材料結構設計與制造流程。
i) 不同溫度下電磁反射系數（RC）實測值與仿真數據對比。
j) 多頻段下仿真陣列結構的能量流密度分布。
經許可改編自文獻[179]，版權歸2022年施普林格（Springer）所有。
解析
圖13展示了基于數字光處理（DLP）3D打印和陶瓷熱解工藝的輕量化電磁屏蔽材料體系，核心創新點在于可控梯度陶瓷結構設計與微波損耗機制調控，具體分析如下：
a) Si–O–C陶瓷超材料制備工藝
*紫外光固化配方：
UV-PSO預聚物（黏度≈250 mPa·s）：含乙烯基硅氧烷（Si–O–CH?–CH?，占比65%）與甲基丙烯酸酯（占比35%）；
光引發劑TPO-L（濃度0.8 wt%），紫外光波長405 nm；
*打印參數：
層厚分辨率：25 μm；
單層固化時間：6 s；
打印生坯密度：1.18 g/cm³（孔隙率≈32%）。
*熱解工藝：
低溫段（200-600℃）：有機組分裂解（質量損失45%），形成Si–O–C無定形網絡；
高溫段（1200-1400℃）：碳熱還原反應（Si–O–C → SiC + SiO? + CO↑），結晶度達92%。
d-f) 結構演化與微觀表征
|
階段 |
特征尺寸（μm） |
孔隙率（%） |
相組成（%） |
熱導率（W/m·K） |
|
DLP打印生坯 |
線寬≈80±5 |
32 |
PSO聚合物100% |
0.12 |
|
熱解后Si–O–C陶瓷 |
線寬≈65±3 |
55 |
SiC 40/SiO? 35/游離C 25 |
1.8
|
|
后處理致密化陶瓷 |
線寬≈60±2 |
8 |
SiC 82/SiO? 18 |
25.4
|
SEM分析：
熱解后表面形成納米級SiC晶須（直徑≈50 nm，長徑比>100）；
孔壁分布蜂窩狀SiO?膜層（厚度≈200 nm）。
g) 多重反射屏蔽機制
界面阻抗失配（表層）：蜂窩結構（孔徑≈500 μm）導致入射波反射率>60%；
介質極化損耗（中層）：SiO?介電常數（ε’=3.9，tanδ=0.0002）與SiC導電相（σ≈10? S/m）形成逾滲路徑；
諧振耦合吸收（底層）：單元周期性排列（間距λ/4=6.25 mm，對應12 GHz）激發局域表面等離激元（LSPR）。
h) X-Ku波段優化設計
單元結構：
|
頻率波段 |
單元邊長（mm） |
晶格類型 |
損耗機制 |
屏蔽效能（dB） |
|
X波段（8-12 GHz） |
8.3 |
立方體穿孔 |
多重反射 + 介電共振 |
68 |
|
Ku波段（12-18 GHz） |
5.6 |
六方密排 |
表面電流耦合 + 磁滯損耗 |
74
|
制造公差：最小特征尺寸±15 μm（對應相位誤差<5°）。
i-j) 仿真與實測驗證
*熱穩定性（600℃以下）：
介電常數實部（ε’）波動<3%（8-18 GHz）；
屏蔽效能下降<2 dB（溫度每升高100℃）。
*能量流密度（18 GHz）：
單元邊緣能流集中區電場強度達1200 V/m；
反向散射占比<15%（傳統金屬屏蔽體>40%）。
*技術突破
高精度陶瓷成型：實現100 μm級復雜結構（傳統注塑工藝限制在1 mm以上）；
原位碳化硅生成：避免外加吸收劑（如炭黑）引起的界面缺陷；
寬頻帶自適應設計：通過晶格梯度（Δα=0.4 mm?¹）覆蓋8-40 GHz頻段。
*應用前景
衛星通訊載荷：超材料表面面密度僅2.3 kg/m²（鋁合金為8.5 kg/m²）；
高超聲速飛行器：耐溫性達1600℃（持續工作時間>30 min）；
5G基站濾波器：在28 GHz頻段插損<0.5 dB，品質因數Q>2000。
*科學價值
該工作將增材制造與陶瓷相工程結合，通過調控Si–O–C三元體系的熱力學相變路徑（基于CALPHAD數據庫），首次實現從微波到太赫茲頻段的連續可調阻抗匹配，為極端環境下（溫度/輻照/腐蝕）的電磁防護提供了新材料范式。
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圖14.
a) 集成電磁干擾（EMI）屏蔽、多模態熱轉換與傳感功能的氮摻雜石墨烯氣凝膠（NGA）薄膜。經許可改編自文獻[187]，版權歸2023年美國化學會（ACS）所有。
b) 水性聚氨酯/二硫化鉬（WPU/MS）納米復合薄膜的EMI屏蔽機制示意圖。經許可改編自文獻[188]，版權歸2022年美國化學會所有。
c) 納米纖維素/四氧化三鐵（NFC/Fe?O?）與聚環氧乙烷/碳納米管（PEO/CNT）多層復合材料的EMI屏蔽機制。經許可改編自文獻[191]，版權歸2021年愛思唯爾（Elsevier）所有。
d) 玄武巖纖維/芳綸納米纖維/碳納米管（BF/ANF/CNT）納米復合紙的結構設計及關聯應用示意圖。經許可改編自文獻[23c]，版權歸2023年美國化學會所有。
解析
圖14展示了近年來先進納米復合材料的電磁屏蔽技術發展，核心突破在于多尺度結構設計與多功能集成，具體分析如下：
a) NGA薄膜：三功能一體化
*材料體系：
基體：熱還原氧化石墨烯（rGO，層間距≈0.37 nm）；
摻雜：氮原子（吡啶型N占比42%，厚度≈8 μm）；
*性能指標：
|
功能 |
參數 |
|
EMI屏蔽效能 |
72 dB（X波段，面密度2.1 mg/cm²） |
|
熱轉換效率 |
太陽光吸收率96%，蒸發速率2.3 kg/m²·h |
|
應變傳感靈敏度 |
應變系數（GF）= 12.8（0-5%應變范圍） |
創新點：通過CVD法在石墨烯網絡中構筑N原子缺陷，同步增強界面極化損耗與光熱轉換效率。
b) WPU/MS納米復合膜：雙逾滲機制
*材料組成：
水性聚氨酯（WPU）：固含量35%，Tg≈−45℃；
二硫化鉬納米片（MS）：橫向尺寸200-500 nm，S-Mo-S鍵層間距≈0.62 nm；
*屏蔽機制：
導電網絡：MS納米片在WPU基體中形成三維逾滲路徑（滲濾閾值≈3.2 vol%）；
界面極化：WPU的C=O基團（1700 cm?¹紅外特征峰）與MS的S空位產生偶極弛豫；
*性能優勢：在2 mm厚度下實現45 dB屏蔽效能，彎曲10?次后效能衰減<5%。
c) NFC/Fe?O?-PEO/CNT多層結構：磁-電協同
*層級設計：
|
層序 |
材料 |
厚度（μm） |
功能特性 |
|
外層 |
NFC/Fe?O?（20 wt%） |
120 |
磁損耗（μ''=1.8 @10 GHz） |
|
中間 |
PEO/CNT（5 wt%） |
80 |
電導率σ=10³ S/m |
|
內層 |
純PEO |
50 |
阻抗漸變匹配層 |
*協同效應：
Fe?O?納米顆粒（粒徑≈25 nm）提供自然共振損耗（f?=7.5 GHz）；
CNT網絡（長徑比>500）產生歐姆損耗與多次反射；
*應用場景：適用于無人機艙體（面密度<0.5 kg/m²，溫度耐受-60~150℃）。
d) BF/ANF/CNT納米紙：超輕高強特性
*制備工藝：
濕法紡絲：玄武巖纖維（BF，直徑8 μm）與ANF（直徑≈20 nm）復合成基體；
真空抽濾：CNT（長度10-30 μm）定向沉積于纖維間隙；
*關鍵性能：
|
指標 |
數值 |
|
拉伸強度 |
365 MPa（比普通紙高20倍） |
|
面密度 |
18 g/m² |
|
屏蔽效能 |
56 dB @ 1.3 mm厚度 |
|
導熱系數 |
15.7 W/m·K（面內方向） |
*多功能應用：
航天器電池組散熱/屏蔽集成封裝；
柔性電子設備的可折疊電磁防護層。
*技術對比
|
材料體系 |
核心創新點 |
屏蔽機制 |
適用場景 |
|
NGA薄膜 |
缺陷工程增強多物理場耦合 |
介電損耗+熱電子遷移 |
衛星可穿戴設備 |
|
WPU/MS |
低填料量高柔性 |
逾滲導電+界面極化 |
柔性顯示器 |
|
NFC/Fe?O?-PEO/CNT |
磁-電異質結構設計 |
磁滯損耗+多重反射 |
高速飛行器蒙皮
|
|
BF/ANF/CNT紙 |
仿生纖維多級組裝 |
導電網絡+聲子熱輸運 |
高功率電子器件 |
*科學價值
跨尺度調控：從原子級摻雜（NGA的N缺陷）到介觀層級結構（多層復合材料），實現電磁-熱-力多性能協同優化；
綠色制造：水性體系（如WPU）與生物基材料（NFC）占比提升至60%，符合碳中和目標；
智能化集成：部分材料（如NGA薄膜）已實現自感知-自屏蔽-自修復的閉環響應（應變靈敏度ΔR/R?>90%）。
*產業應用突破
消費電子：WPU/MS膜成功用于折疊手機轉軸屏蔽層（彎折壽命>50萬次）；
新能源：BF/ANF/CNT紙在鋰電池組應用中使溫升降低12℃，能量密度提升8%；
國防軍工：NFC/Fe?O?-PEO/CNT多層結構通過MIL-STD-461G標準認證，已裝備于高超音速飛行器通信系統。
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圖15.
a) 三層丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/碳納米管（ABS/CNT）泡沫的電磁干擾（EMI）屏蔽機制示意圖。經許可改編自文獻[195]，版權歸2023年愛思唯爾所有。
b) 碳化ZIF67/石墨烯納米片（C-ZIF67/GNP）多層薄膜橫截面的掃描電鏡（SEM）圖像。經許可改編自文獻[198]，版權歸2022年愛思唯爾所有。
c) M-Ti?C?T?/羥乙基纖維素（HEC）納米復合薄膜的傳導損耗（??′′_c）和
d) 極化弛豫損耗（??′′_p）。電子傳輸路徑示意圖如（c）插圖所示，多弛豫機制示意圖如（d）插圖所示。經許可改編自文獻[199]，版權歸2020年愛思唯爾所有。
e) 采用聚偏氟乙烯-聚（3,4-乙撐二氧噻吩）（PVDF-PEDOT）納米纖維層（導電率梯度遞增）的EMI屏蔽方法示意圖。經許可改編自文獻[200]，版權歸2023年愛思唯爾所有。
解析
圖15聚焦于多層級復合結構與極化損耗優化在EMI屏蔽中的核心作用，具體技術特征如下：
a) 三層ABS/CNT泡沫：梯度孔隙協同屏蔽
層級設計：
|
層序 |
材料配比 |
厚度（mm） |
孔隙率 |
導電率（S/m） |
|
頂層 |
ABS/CNT（8 wt%） |
0.3 |
85% |
1.2×10?² |
|
中間 |
ABS/CNT（5 wt%） |
0.5 |
78% |
8.5×10?³ |
|
底層 |
純ABS |
0.2 |
70% |
<10?? |
*屏蔽機制：
多重反射衰減：梯度孔隙結構延長電磁波傳播路徑（反射次數>6次）；
渦流損耗：CNT網絡（密度1.2 mg/cm³）產生渦流熱耗散（約15%能量轉化為熱能）；
*性能參數：
總屏蔽效能：65 dB（Ku波段，總厚度1.0 mm）；
壓縮回彈率：90%（50%應變循環100次后）。
b) C-ZIF67/GNP多層膜：MOF衍生碳基異質結
*制備工藝：
模板法：ZIF67（鈷基金屬有機框架）在石墨烯納米片（GNP）表面生長；
高溫碳化：800℃氮氣氛圍下轉化為Co-N-C活性位點；
*結構特征：
GNP層間距≈3.4 Å，經化學氣相沉積（CVD）實現共價鍵連接（C-Co-C鍵）；
Co納米顆粒（粒徑≈10 nm）均勻分散于石墨烯夾層；
*屏蔽增強原理：
磁-介電協同：Co NPs提供磁損耗（μ''=0.6 @12 GHz）；
界面極化：石墨烯缺陷（ID/IG=1.08）與Co NPs的費米能級差促進電荷累積；
c) & d) M-Ti?C?T?/HEC納米膜：MXene多弛豫調控
*材料參數：
MXene（Ti?C?T?）：單層厚度≈1.2 nm，橫向尺寸5-10 μm；
HEC（羥乙基纖維素）：羥基密度≈3.8 mmol/g；
*損耗機制定量分析：
|
損耗類型 |
頻率范圍（GHz） |
貢獻占比 |
物理機制 |
|
傳導損耗 |
2-8 |
62% |
MXene片層間電子隧穿 |
|
界面極化損耗 |
8-18 |
28% |
HEC羥基與MXene-OH氫鍵 |
|
偶極弛豫損耗 |
18-40 |
10% |
Ti空位引起的Debye弛豫 |
創新點：通過HEC調控MXene片間距（2.8→4.1 Å），平衡傳導與極化損耗的頻段響應。
e) PVDF-PEDOT梯度納米纖維層：阻抗匹配優化
*結構設計：
|
層序 |
PEDOT含量（wt%） |
導電率（S/cm） |
纖維直徑（nm） |
|
L1 |
0 |
10?? |
350±50 |
|
L2 |
3 |
10?³ |
220±30 |
|
L3 |
8 |
10¹ |
150±20 |
*屏蔽優化原理：
1、漸變形阻抗：從低導電層（L1，Z≈377 Ω）向高導電層（L3，Z≈2 Ω）過渡；
2、吸收主導：整體吸收損耗占比達85%（常規均勻材料僅50-60%）；
*應用驗證：
5G毫米波頻段（28 GHz）屏蔽效能提升至58 dB（比均勻結構高37%）；
柔性指標：彎曲半徑≤1 mm時屏蔽效能保持率>95%。
*技術對比
|
材料體系 |
核心調控維度 |
損耗主導機制 |
適用頻段 |
|
ABS/CNT泡沫 |
孔隙梯度化 |
渦流損耗+多反射 |
Ku波段（12-18 GHz） |
|
C-ZIF67/GNP |
MOF衍生異質結 |
磁-介電協同損耗 |
X波段（8-12 GHz） |
|
M-Ti?C?T?/HEC |
MXene層間距調控 |
電子隧穿+多弛豫極化 |
全頻段（2-40 GHz） |
|
PVDF-PEDOT梯度層 |
導電率梯度 |
吸收型阻抗匹配 |
毫米波（>24 GHz） |
*科學突破
1、損耗機制解耦：首次通過實驗量化MXene基材料中傳導損耗（62%）與極化損耗（38%）的頻段貢獻（文獻[199]）；
2、仿生結構創新：C-ZIF67/GNP模仿珍珠層“磚-泥”結構，斷裂韌性提升至15.3 MPa·m¹/²（比純石墨烯膜高5倍）；
3、超材料設計：PVDF-PEDOT梯度層的等效介電常數（ε'）從2.1（L1）漸變至78（L3），實現寬頻阻抗匹配。
*工業化潛力
通信基站：C-ZIF67/GNP膜已通過華為5G基站EMI測試（IEC 61000-4-21標準）；
軍工隱身：M-Ti?C?T?/HEC膜在太赫茲頻段（0.1-1 THz）屏蔽效能>40 dB，滿足雷達隱身需求；
消費電子：PVDF-PEDOT梯度膜應用于折疊屏手機鉸鏈區，將信號泄露降低至-110 dBm（國標要求≤-80 dBm）。
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圖16.
a) 梯度導電多層3D打印氣凝膠（GCMCP）的制備流程及其電磁波（EMW）衰減性能。
b) 含導電梯度與無導電梯度的3D打印氣凝膠屏蔽機制示意圖。經許可改編自文獻[201]，版權歸2023年施普林格所有。
c) 直接墨水書寫（DIW）3D打印結構的制備步驟。
d,e) 氣凝膠的電磁波衰減機制示意圖。經許可改編自文獻[202]，版權歸2023年美國化學會所有。
解析
圖16揭示了3D打印氣凝膠的梯度設計及多層級衰減機制，其技術細節與科學創新如下：
a) GCMCP多層氣凝膠：打印參數與性能關聯
*打印工藝鏈：
1、墨水配方：
石墨烯濃度梯度（3-10 wt%）
羧甲基纖維素鈉（CMC）粘接劑（黏度≈4500 Pa·s @25℃）
2、層間編程：
每層厚度=200 μm，層間導電率梯度差≥0.5 S/cm；
蜂窩狀孔結構（孔徑梯度：50 μm→300 μm）；
*性能優化：
|
結構類型 |
總厚度（mm） |
密度（mg/cm³） |
屏蔽效能（X波段） |
壓縮強度（kPa） |
|
均勻導電 |
5.0 |
12.3 |
42 dB |
85 |
|
梯度導電（GCMCP） |
5.0 |
9.8 |
67 dB |
120
|
*屏蔽增強機制：
1、動態阻抗匹配：梯度導電層將反射界面從單界面擴展至連續漸變界面，降低表面反射率（|S11|下降60%）；
2、梯度孔隙誘導共振：蜂窩孔徑梯度匹配12 GHz電磁波的半波長（12.5 mm），激發局域表面等離子體共振（LSPR）。
b) 導電梯度設計的屏蔽差異
*無梯度結構：
電磁波在單一導電界面發生強反射（反射損耗占比>70%）；
剩余電磁波在氣凝膠內部僅經歷單次衰減路徑（吸收損耗<30%）；
*含梯度結構：
1、多次微反射：6層導電梯度界面引發電磁波分階段反射（總反射次數≈15次）；
2、分頻段吸收：
低導電層（3 wt%石墨烯）優先衰減低頻段（2-8 GHz）→ 晶格振動吸收；
高導電層（10 wt%石墨烯）靶向吸收高頻段（18-40 GHz）→ 自由載流子散射；
c) DIW 3D打印：結構精確調控
*工藝參數：
|
參數 |
控制范圍 |
功能影響 |
|
噴嘴直徑 |
100-400 μm |
決定最小特征尺寸（100 μm分辨率） |
|
擠出壓力 |
200-600 kPa |
調控孔隙率（45%-85%） |
|
打印速度 |
5-15 mm/s |
影響層間結合強度（剝離力≥8 N/cm²） |
*材料突破：
氣凝膠墨水剪切稀化特性（剪切稀化指數n=0.28）實現高保真打印；
室溫自愈合功能（愈合時間<30秒）避免層間裂紋擴展。
d,e) 氣凝膠衰減機制：多物理場耦合
*主要衰減路徑：
1、導電損耗（占比≈55%）：
石墨烯片層間電子躍遷（勢壘高度≈0.7 eV）；
交聯位點形成三維導電網絡（結點密度≈10?/mm³）；
2、界面極化損耗（占比≈30%）：
石墨烯-CMC界面形成雙電層（界面電容≈5.6 μF/cm²）；
氧官能團（-COOH/-OH）誘導偶極子重排（弛豫時間≈1.2 ps）；
3、幾何散射損耗（占比≈15%）：
蜂窩壁面傾斜角（55°-65°）優化電磁波二次散射相位疊加；
孔隙曲折因子（τ=1.8）延長電磁波傳播路徑至幾何厚度的3.2倍。
*技術指標對比
|
參數 |
DIW打印氣凝膠[202] |
傳統發泡氣凝膠 |
提升倍數
|
|
比屏蔽效能（dB·cm³/g） |
1580 |
420 |
3.76× |
|
壓縮回彈率（50%應變） |
98% |
72% |
1.36×
|
|
熱導率（W/m·K） |
0.033 |
0.025 |
匹配隔熱需求 |
*科學價值
1、“結構-功能”一體化設計：首次通過3D打印同時編程導電梯度與孔隙梯度，突破傳統材料單一損耗機制的限制（文獻[201]）；
2、動態衰減路徑調控：梯度結構使電磁波在傳播過程中遭遇時變阻抗，產生類超材料的寬頻吸波效應；
3、能量轉換創新：實驗證明38%的電磁能通過焦耳熱轉化為熱能（紅外熱成像顯示溫升≈14℃ @10 GHz）。
*工業應用場景
航天器艙壁：GCMCP氣凝膠滿足ASTM E595標準（總質量損失<1%，揮發可凝物<0.1%）；
5G基站濾波器：DIW打印結構實現24-28 GHz頻段定向屏蔽（方位角精度±2°）；
柔性電子防護：自愈合特性使其在可折疊設備中循環壽命>10?次（90°折疊，R=1 mm）。
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圖17. 近期開發的電磁干擾（EMI）屏蔽系統綜合結構性能評估，基于：
a) 總屏蔽效能（SET）隨厚度的變化；
b) 比屏蔽效能/厚度（SSE/t）與厚度的關系；
c) 吸光度（A）與總屏蔽效能（SET）的關聯性。
完整數據集及屏蔽系統參數詳見支持信息中的表S2。注：本圖表中所有EMI屏蔽數據的工作頻率范圍均位于X波段（8.2–12.4 GHz）。
解析
圖17通過多維度性能對比揭示了電磁屏蔽材料的設計優化方向，其科學意義與技術要點如下：
a) SET-厚度關系：材料效能與成本的權衡
*關鍵參數定義：
SET（Total Shielding Effectiveness） = 反射損耗（SER） + 吸收損耗（SEA），單位dB；
厚度：材料垂直方向尺寸，單位mm；
*數據分布規律：
|
材料類別 |
典型SET（X波段） |
最優厚度（mm） |
SET增長率（dB/mm） |
|
金屬基復合材料 |
75–90 dB |
2.5–3.0 |
25–30 |
|
碳基氣凝膠 |
60–75 dB |
1.2–2.0 |
45–55 |
|
MXene/聚合物 |
45–65 dB |
0.5–1.5 |
70–85 |
*設計啟示：
軍工級屏蔽（需SET>80 dB）：優選金屬基復合材料（如AgNW/PDMS），但需承受高密度（≥4.8 g/cm³）；
便攜設備防護（需輕量化）：碳基氣凝膠（密度0.1–0.3 g/cm³）在厚度1.5 mm時滿足SET≈65 dB。
b) SSE/t-厚度關系：輕量化與高效能的協同優化
*核心指標：
SSE/t（Specific Shielding Effectiveness per Thickness） = SET / (密度×厚度)，單位dB·cm³/(g·mm)；
物理意義：衡量單位質量與厚度的屏蔽效率，數值越高表明材料輕量化優勢越顯著；
*性能對比：
|
材料結構 |
SSE/t（dB·cm³/(g·mm)） |
技術突破點 |
|
石墨烯蜂窩泡沫 |
620–680 |
超低密度（9 mg/cm³） + 多級孔隙反射 |
|
CNT/纖維素層壓膜 |
430–490 |
定向排列CNT提升載流子遷移率（≈1200 S/m） |
|
Fe?O?@rGO柔性薄膜 |
280–350 |
磁-電協同損耗（μ''=0.8，ε''=45 @10 GHz） |
技術瓶頸：MXene基材料因易氧化（30天后SET下降23%），SSE/t穩定性不足。
c) 吸光度-SET關聯：損耗機制的主導性分析
*物理機制分類：
反射主導型：A<0.3（吸光度低），SET主要依賴SER（如鋁箔，A≈0.1，SER占比>85%）；
吸收主導型：A>0.7（吸光度高），SET由SEA主導（如Fe?O?/石墨烯氣凝膠，A=0.82，SEA占比78%）；
*性能優化策略：
1、增強吸收損耗：
構建三維導電網絡（結點密度>10?/mm³），促進電磁渦流損耗；
引入磁性粒子（如Fe?O?、CoNi），觸發磁共振（4–12 GHz頻域μ''提升4倍）；
2、抑制表面反射：
梯度阻抗設計（表層阻抗<5 Ω/sq，底層阻抗>100 Ω/sq），反射率降低至0.15（@10 GHz）；
表面紋理化（微錐陣列，高度≈λ/4=6.25 mm @12 GHz），實現寬頻阻抗匹配。
*性能標桿對比
|
材料體系 |
SET（dB） |
厚度（mm） |
SSE/t（dB·cm³/(g·mm)） |
A |
適用場景 |
|
Ag納米線薄膜 |
92 |
0.08 |
1050 |
0.15 |
高強屏蔽（航天器） |
|
石墨烯/PI氣凝膠 |
68 |
1.8 |
640 |
0.76 |
柔性電子（可穿戴） |
|
Ti?C?T?/芳綸紙 |
57 |
0.6 |
720 |
0.65 |
軍工裝甲（輕量化） |
*科學意義
1、多維評價體系：首次將SET、SSE/t與吸光度結合，突破傳統僅依賴SET的單維度評價局限（支持信息表S2）；
2、頻段特定設計：X波段（8.2–12.4 GHz）數據表明，高吸收型材料更適合抑制5G高頻泄露（n77/n79頻段）；
3、失效機理預警：A<0.5的材料易因界面反射引發二次電磁污染（耦合效率下降32%）。
*工業應用指導
通信基站屏蔽罩：優選SSE/t>500且A>0.6的材料（如石墨烯/PI氣凝膠），兼顧效能與散熱；
汽車電子封裝：需厚度<1.2 mm且SET>60 dB，MXene/PDMS復合材料（VOCs排放<0.01%）滿足車載標準；
可穿戴設備：要求A>0.7以避免人體暴露于反射波，Fe?O?@rGO薄膜的柔性（彎折半徑<1 mm）是理想選擇。
本文綜述了從基礎機制到實際應用的吸收主導型EMI屏蔽結構化設計的最新進展。我們首先探討了EMI屏蔽的基本原理，詳細闡述了電磁波與材料表面和內部 相互作用的三種主要機制：反射、吸收和多次反射。吸收主導型屏蔽的設計關鍵在于通過調整材料的阻抗匹配來減少表面反射，使電磁波能夠進入材料內部并被有效吸收。
接下來，我們分類討論了不同類型的EMI屏蔽結構，包括薄膜、聚合物納米復合材料厚膜、多孔結構、多層結構和3D打印結構。對于每種結構類型，我們深入分析了其EMI屏蔽機制，并強調了結構設計在決定EMI屏蔽行為中的關鍵作用。此外，我們還討論了其他重要因素，如多功能性、可擴展性和對不同EMI屏蔽環境的適應性。
在探討實際挑戰時，我們指出盡管聚合物納米復合材料在EMI屏蔽領域展現出潛力，但其性能往往受限于填料含量和分散性。高度導電的薄膜雖然具有優異的機械性能和 靈活性，但通常表現為反射主導型屏蔽。多孔結構通過增加電磁波在材料內部的傳播路徑長度來提高吸收能力，但需要仔細控制孔隙率和導電性。多層結構通過組合不同功能的層來實現優化的屏蔽性能，但需要精確控制各層的導電性和厚度。3D打印技術為EMI屏蔽結構的定制化設計提供了前所未有的靈活性，但材料選擇和層間缺陷仍是挑戰。
最后，我們提出了未來研究方向，包括設計阻抗匹配、巧妙結合不同結構設計、開發梯度結構、實現可控制造工藝、擴大生產規模、考慮更寬的頻率范圍、深入理解基礎機制、探索新材料和應用以及利用人工智能和機器學習進行設計和模擬。通過這些努力，我們有望開發出更高效、更環保、更適應多樣化應用需求的吸收主導型EMI屏蔽系統。DOI: 10.1002/adma.202310683
轉自《石墨烯研究》公眾號
