現(xiàn)代人類文明高度依賴電子系統(tǒng)的快速發(fā)展，這些系統(tǒng)革新了通信、教育、航空和娛樂領(lǐng)域。然而，數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）對(duì)社會(huì)構(gòu)成重大威脅，可能導(dǎo)致未來危機(jī)。盡管已投入大量努力開發(fā)納米技術(shù)屏蔽系統(tǒng)以減輕EMI的有害影響，但針對(duì)吸收主導(dǎo)型屏蔽解決方案的研究仍有限。實(shí)現(xiàn)吸收主導(dǎo)型EMI屏蔽需通過精心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程，從最小組件出發(fā)，綜合考慮最有效的電磁波衰減因素。本綜述全面概述了屏蔽結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析了吸收主導(dǎo)型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素、屏蔽機(jī)制、傳統(tǒng)與納米技術(shù)EMI屏蔽的局限性，以及對(duì)EMI屏蔽科學(xué)基本原理的常見誤解。
21世紀(jì)數(shù)字技術(shù)與通信系統(tǒng)的快速發(fā)展推動(dòng)了社會(huì)進(jìn)步，但廣泛采用這些技術(shù)也導(dǎo)致了一種新型環(huán)境污染——電磁干擾（EMI）。EMI可能干擾精密電子和生物系統(tǒng)，對(duì)人類生命和經(jīng)濟(jì)構(gòu)成直接風(fēng)險(xiǎn)。因此，開發(fā)EMI屏蔽材料成為材料科學(xué)家關(guān)注的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)上，不銹鋼、銅、鋁和銀等金屬因其高屏蔽效能（SE）被廣泛使用，但其高導(dǎo)電性易導(dǎo)致反射型屏蔽，可能產(chǎn)生二次電磁污染。為此，研究者探索了合成EMI屏蔽材料，如本征導(dǎo)電聚合物、石墨烯、MXene、碳納米管（CNT）和銀納米線（AgNW）。然而，當(dāng)前研究對(duì)吸收主導(dǎo)型結(jié)構(gòu)的關(guān)注不足，僅少數(shù)研究在屏蔽性能評(píng)估中涉及吸收參數(shù)。
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圖 1. a, b) 高導(dǎo)電性薄層結(jié)構(gòu)中主要電磁干擾（EMI）屏蔽機(jī)制的示意圖。c) 趨膚深度指的是電磁場(chǎng)強(qiáng)度呈指數(shù)衰減的距離，其衰減后的強(qiáng)度降至初始入射值的 1/e。d) 隔離結(jié)構(gòu)、e) 多孔結(jié)構(gòu)和 f) 多層結(jié)構(gòu)中內(nèi)部散射的示意圖。
解析：
這段文字描述了一張圖（圖 1）及其包含的六個(gè)子圖（a-f）所展示的內(nèi)容。解析如下：
1、圖注主體 (Figure 1.)： 指明這是對(duì)圖 1 內(nèi)容的說明。
2、子圖 a 和 b (a,b) Schematic illustrations of main EMI shielding mechanisms in a highly conductive thin structure：
· 功能： 這兩個(gè)子圖是示意圖 (Schematic illustrations)。
· 主題： 展示發(fā)生在 高導(dǎo)電性薄層結(jié)構(gòu) (highly conductive thin structure) 中的 主要電磁干擾屏蔽機(jī)制 (main EMI shielding mechanisms)。
· 核心概念： EMI Shielding (電磁干擾屏蔽) - 阻止或減弱不需要的電磁輻射的技術(shù)。
· 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 強(qiáng)調(diào)材料是 高導(dǎo)電 (highly conductive) 且 薄 (thin) 的，這通常意味著反射 (reflection) 會(huì)是其主要屏蔽機(jī)制之一（通常在圖 a/b 中展示反射機(jī)制）。
3、子圖 c (c) Skin depth refers to the distance over which the intensity of electromagnetic fields decreases exponentially, reaching a level of 1/e compared to the initial incident value：
· 功能： 定義并圖解一個(gè)關(guān)鍵物理概念。
· 概念： 趨膚深度 (Skin depth - δ)。
· 定義解釋：
· 它表示電磁波在導(dǎo)體內(nèi)部傳播時(shí)，其電場(chǎng)/磁場(chǎng)強(qiáng)度 呈指數(shù)衰減 (decreases exponentially) 的距離。
· 在這個(gè)特定距離（趨膚深度 δ）處，電磁場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)衰減到 其表面處初始入射值 (the initial incident value) 的 1/e (約 36.8%)。
· 核心意義： 趨膚深度決定了電磁波能有效穿透導(dǎo)體的深度，是設(shè)計(jì)電磁屏蔽材料（尤其是利用吸收機(jī)制時(shí)）的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。深度越小，電磁波越難穿透，表面電流密度越大。
· 4、子圖 d, e, f (Schematic illustrations of internal scattering in d) segregated, e) porous, and f) multilayered structures)：
· 功能： 這三個(gè)子圖也是示意圖 (Schematic illustrations)。
· 主題： 展示發(fā)生在 三種不同類型結(jié)構(gòu) 內(nèi)部的 內(nèi)部散射 (internal scattering)。
· 結(jié)構(gòu)類型：
· d) 隔離結(jié)構(gòu) (Segregated structure)： 通常指導(dǎo)電填料（如碳納米管、石墨烯、金屬顆粒）在絕緣聚合物基體中形成相互連接的網(wǎng)絡(luò)，但填料本身聚集在基體晶界或特定區(qū)域，而非均勻分散。散射發(fā)生在導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)與絕緣區(qū)域的界面處。
· e) 多孔結(jié)構(gòu) (Porous structure)： 材料內(nèi)部含有大量的空隙或氣孔。散射發(fā)生在孔壁（固-氣界面）以及孔隙形成的復(fù)雜內(nèi)部界面上。
· f) 多層結(jié)構(gòu) (Multilayered structure)： 由不同材料或不同成分的層交替堆疊而成。散射發(fā)生在各層之間的界面處。
· 核心概念： 內(nèi)部散射 (Internal scattering) - 指電磁波在材料內(nèi)部傳播時(shí)，遇到不均勻性（如不同組分界面、孔隙、層間界面）而發(fā)生方向改變和能量耗散的過程。這是吸收屏蔽機(jī)制的重要組成部分。
總結(jié)圖示內(nèi)容：
圖 1 通過示意圖解釋了電磁屏蔽的幾個(gè)關(guān)鍵方面：
· (a,b) 高導(dǎo)電薄膜的主要屏蔽機(jī)制（如反射）。
· (c) 趨膚深度的概念及其物理意義（決定電磁波在導(dǎo)體中的穿透深度和衰減）。
· (d,e,f) 三種特殊微觀結(jié)構(gòu)（隔離、多孔、多層）如何通過促進(jìn)內(nèi)部散射來增強(qiáng)電磁波的吸收損耗，從而提高屏蔽效能（尤其是吸收分量）。這些結(jié)構(gòu)通過增加電磁波在材料內(nèi)部的傳播路徑長度和界面接觸，有效地將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。
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圖 2. a) 還原氧化石墨烯（rGO）結(jié)構(gòu)中的偶極子極化。b) 界面極化的簡(jiǎn)化示意圖，描繪了包含石墨烯和磁性納米粒子的納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其中在導(dǎo)電相和磁性相之間存在大量界面。c) 石墨烯片層內(nèi)傳導(dǎo)損耗的示意圖。d) 渦流損耗和 e) 自然共振（作為導(dǎo)致磁損耗的因素）的示意圖。
解析：
這段文字描述了圖2中各子圖展示的電磁波能量損耗機(jī)制，主要分為介電極化損耗和磁損耗兩大類，這些是電磁屏蔽材料（特別是吸收型）中能量耗散的核心機(jī)理。
1、圖注主體 (Figure 2.)： 指明這是對(duì)圖2內(nèi)容的說明。
2、子圖 a (a) Dipole polarization in rGO structure：
主題： 還原氧化石墨烯 (Reduced Graphene Oxide, rGO) 結(jié)構(gòu)中的 偶極子極化 (Dipole polarization)。
· 機(jī)制解釋：
· rGO 是部分還原的氧化石墨烯，其表面和邊緣殘留有含氧官能團(tuán)（如羥基 -OH、羧基 -COOH、環(huán)氧基等）以及結(jié)構(gòu)缺陷。
· 這些官能團(tuán)和缺陷區(qū)域帶有局域電荷，在交變電磁場(chǎng)作用下，正負(fù)電荷中心會(huì)發(fā)生相對(duì)位移或取向轉(zhuǎn)動(dòng)（類似于微小偶極子），形成 偶極子極化。
· 這種極化過程需要克服阻力（弛豫），從而將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，屬于 介電損耗 (Dielectric loss) 的一種重要形式。
3、子圖 b (b) A simplified illustration of interfacial polarization, depicting a nanocomposite structure comprising graphene and magnetic nanoparticles with numerous interfaces between conductive and magnetic phases：
· 主題： 界面極化 (Interfacial polarization / Maxwell-Wagner-Sillars polarization) 的簡(jiǎn)化示意圖。
· 結(jié)構(gòu)與機(jī)制解釋：
· 圖示展示了一種 納米復(fù)合材料 (nanocomposite structure)，由 石墨烯 (graphene) 和 磁性納米粒子 (magnetic nanoparticles) 組成。
· 關(guān)鍵特征在于材料中存在 大量界面 (numerous interfaces)，特別是 導(dǎo)電相 (conductive phase - 石墨烯) 和 磁性相 (magnetic phase - 磁性納米粒子) 之間的界面。
· 由于不同組分的電導(dǎo)率和介電常數(shù)差異巨大，在界面處會(huì)積聚大量空間電荷（載流子在界面受阻堆積）。
· 在交變電磁場(chǎng)作用下，這些界面電荷的積聚和弛豫過程會(huì)產(chǎn)生顯著的 界面極化。
· 界面極化也是一種重要的 介電損耗 機(jī)制，納米復(fù)合材料通過設(shè)計(jì)大量的異質(zhì)界面，可以有效增強(qiáng)這種損耗。
4、子圖 c (c) Schematic illustration of conduction loss within graphene flakes：
· 主題： 石墨烯片層 (graphene flakes) 內(nèi)部的 傳導(dǎo)損耗 (Conduction loss)。
· 機(jī)制解釋：
· 石墨烯具有優(yōu)異的電導(dǎo)率。當(dāng)電磁波入射時(shí)，其交變電場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)電的石墨烯晶格中誘導(dǎo)產(chǎn)生 傳導(dǎo)電流 (conductive current)。
· 石墨烯晶格本身存在一定的電阻（盡管很?。?。根據(jù)焦耳定律 (Joule's law)，傳導(dǎo)電流流經(jīng)這些電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量 (P_loss = I²R)。
· 這種因傳導(dǎo)電流的歐姆電阻而產(chǎn)生的能量耗散稱為 傳導(dǎo)損耗。電導(dǎo)率越高，通常傳導(dǎo)損耗潛力越大（但高頻下還需考慮趨膚效應(yīng)）。
5、子圖 d (d) eddy current loss...：
· 主題： 渦流損耗 (Eddy current loss) 示意圖（作為導(dǎo)致磁損耗的因素之一）。
· 機(jī)制解釋：
· 當(dāng)交變電磁場(chǎng)（尤其是磁場(chǎng)分量）作用于 磁性材料（如示意圖中的磁性顆?；虮∧ぃr(shí)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，變化的磁場(chǎng)會(huì)在磁性材料內(nèi)部感應(yīng)出 閉合的環(huán)形電流，即渦流 (eddy currents)。
· 渦流在材料本身的電阻中流動(dòng)時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，消耗電磁能，形成 渦流損耗。
· 渦流損耗是 磁損耗 (Magnetic loss) 的重要組成部分，在較高頻率下尤為顯著。降低渦流損耗常采用的方法是使材料絕緣化（如使用納米顆粒而非塊體）或引入電阻。
6、子圖 e (e) natural resonance...：
· 主題： 自然共振 (Natural resonance) 示意圖（作為導(dǎo)致磁損耗的另一個(gè)因素）。
· 機(jī)制解釋：
· 磁性材料（如鐵氧體、金屬磁粉）內(nèi)部的磁矩在存在各向異性場(chǎng)（如磁晶各向異性場(chǎng)、形狀各向異性場(chǎng)等）時(shí)，具有一個(gè)固有的共振頻率（自然共振頻率 f_r）。
· 當(dāng)入射電磁波的頻率接近或達(dá)到材料的自然共振頻率 f_r 時(shí)，磁性材料中的磁矩會(huì)隨著交變磁場(chǎng)發(fā)生強(qiáng)烈的進(jìn)動(dòng)共振。
· 這種共振吸收過程會(huì)有效地將電磁波能量轉(zhuǎn)化為晶格振動(dòng)的熱能（阻尼作用），形成顯著的 自然共振損耗。
· 自然共振也是一種重要的 磁損耗 機(jī)制，其共振頻率通常由材料的本征特性（如各向異性場(chǎng)強(qiáng)度）決定。
7、總結(jié)圖示內(nèi)容：
圖2通過示意圖詳細(xì)解釋了電磁屏蔽材料（特別是石墨烯基和磁性納米復(fù)合材料）中微觀尺度的能量損耗機(jī)制：
· (a, b) 主要闡述 介電損耗 機(jī)制：包括 rGO 內(nèi)部的 偶極子極化（源于缺陷和官能團(tuán)）和復(fù)合材料中的 界面極化（源于導(dǎo)電相/磁性相的大量異質(zhì)界面）。極化弛豫過程消耗能量。
· (c) 闡述 傳導(dǎo)損耗 機(jī)制：石墨烯中傳導(dǎo)電流的歐姆損耗消耗能量。
· (d, e) 主要闡述 磁損耗 機(jī)制：在磁性組分中，渦流損耗（感應(yīng)電流的電阻損耗）和 自然共振（磁矩進(jìn)動(dòng)共振吸收）是消耗電磁能的兩個(gè)關(guān)鍵因素。
理解這些微觀損耗機(jī)制對(duì)于設(shè)計(jì)和優(yōu)化高性能電磁屏蔽/吸收材料至關(guān)重要。
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圖 3. 聚苯乙烯（PS）微球制備過程以及逐步制備 PS/碳納米管（CNT）和 PS/CNT/PEDOT 納米復(fù)合材料的示意圖。經(jīng)許可復(fù)制自參考文獻(xiàn) [71a]。版權(quán)所有 © 2023，愛思唯爾（Elsevier）。
解析：
這段文字描述了圖3的內(nèi)容和來源。解析如下：
1、圖注主體 (Figure 3.)： 指明這是對(duì)圖3內(nèi)容的說明。
2、圖示內(nèi)容描述 (Schematic representation of the procedure...)：
· 圖示性質(zhì)： 示意圖 (Schematic representation)，意味著圖中展示的是制備過程的簡(jiǎn)化、概念性流程，而非實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作照片或詳細(xì)步驟圖。
· 制備過程對(duì)象：
· 聚苯乙烯微球 (PS bead)： 這是制備的起點(diǎn)和核心模板。聚苯乙烯（Polystyrene, PS）是一種常見的聚合物，常被制成微米或納米尺度的球體（bead）。
· PS/CNT 納米復(fù)合材料： 這是在聚苯乙烯微球基礎(chǔ)上，引入了碳納米管 (Carbon Nanotubes, CNT) 后形成的復(fù)合材料。
· PS/CNT/PEDOT 納米復(fù)合材料： 這是在 PS/CNT 復(fù)合材料基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入了導(dǎo)電聚合物 PEDOT 后形成的更復(fù)雜的復(fù)合材料。
· 過程描述： 示意圖展示了連續(xù)的制備步驟 (procedure for the fabrication)：
· 首先，展示了聚苯乙烯（PS）微球的制備方法或獲取途徑（可能包括合成或購買）。
· 然后，描述了如何利用PS微球作為模板或基底，將碳納米管（CNT）引入并結(jié)合上去，形成 PS/CNT 納米復(fù)合材料。
· 最后，描述了在已形成的 PS/CNT 納米復(fù)合材料上，如何進(jìn)一步引入導(dǎo)電聚合物 PEDOT（聚（3,4-乙撐二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸鹽）），最終制得 PS/CNT/PEDOT 三重納米復(fù)合材料。
· 目的推測(cè)： 這種分層、逐步復(fù)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通常旨在結(jié)合各組分的優(yōu)勢(shì)（如PS的輕質(zhì)、易加工性；CNT的高導(dǎo)電性、力學(xué)性能；PEDOT的導(dǎo)電性、溶液加工性、界面兼容性等），最終獲得具有特定功能（如電磁屏蔽、導(dǎo)電、傳感等）的復(fù)合材料。
· 3、來源標(biāo)注 (Reproduced with permission.[71a] Copyright 2023, Elsevier)：
· 授權(quán)說明 (Reproduced with permission)： 明確指出該示意圖是從已發(fā)表文獻(xiàn)中 復(fù)制（Reproduced） 過來的，并且已經(jīng)獲得了 版權(quán)方的許可（with permission）。這是學(xué)術(shù)出版中非常重要的版權(quán)合規(guī)要求。
· 文獻(xiàn)引用標(biāo)記 ([71a])： 方括號(hào)中的 [71a] 是該示意圖來源文獻(xiàn)在本文（即用戶所讀文獻(xiàn)）參考文獻(xiàn)列表中的編號(hào)。讀者可以通過文末的參考文獻(xiàn)列表找到編號(hào)為71a的原始文獻(xiàn)。
· 版權(quán)信息 (Copyright 2023, Elsevier)：
· 版權(quán)所有 (Copyright)： 表明該示意圖的版權(quán)歸屬。
· 年份 (2023)： 標(biāo)明原始文獻(xiàn)發(fā)表的年份或版權(quán)年份。
· 出版商 (Elsevier)： 指明原始文獻(xiàn)是由國際著名學(xué)術(shù)出版商 愛思唯爾（Elsevier） 出版的。
3、總結(jié)圖示內(nèi)容：
圖3 展示了一個(gè) 多步驟制備納米復(fù)合材料的工藝流程圖：
*起始點(diǎn)是 聚苯乙烯微球 (PS bead) 的制備或獲取。
*以PS微球?yàn)槟０?基底，負(fù)載或復(fù)合 碳納米管 (CNT)，形成 PS/CNT 納米復(fù)合材料。
*在 PS/CNT 復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步負(fù)載或復(fù)合 導(dǎo)電聚合物 PEDOT，最終得到 PS/CNT/PEDOT 三重納米復(fù)合材料。
該圖是示意圖，清晰地描繪了這種復(fù)雜復(fù)合材料的分步構(gòu)建策略。圖注同時(shí)嚴(yán)格標(biāo)注了圖片來源的授權(quán)文獻(xiàn)（參考文獻(xiàn)71a）和版權(quán)信息（© 2023 Elsevier）。
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圖4. a) 采用真空輔助過濾法制備的MXene基納米復(fù)合材料的柔性自支撐紙狀薄膜（比例尺：5 mm）。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[84]1。版權(quán)所有 © 2019，Nature出版社。b) 刮刀涂布工藝示意圖及數(shù)碼照片，展示了使用大尺寸MXene薄片通過刮刀涂布制備的1米長、10厘米寬薄膜。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[85b]1。版權(quán)所有 © 2020，Wiley出版社。c) 滴涂法制作MXene薄膜的流程示意圖，小黃色箭頭指示溶劑蒸發(fā)方向。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[13c]1。版權(quán)所有 © 2020，Cell Press出版社。d) 不同厚度（≈1至15 μm）的過濾型MXene薄膜（M?XT?, M?X?T?, M?X?T?）在10 GHz頻率下的電磁屏蔽效能（SET）模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[13b]1。版權(quán)所有 © 2020，美國化學(xué)會(huì)。e) Ti?C?T?材料的電磁干擾屏蔽機(jī)制示意圖。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[7]1。版權(quán)所有 © 2017，Science出版社。
一、子圖解析
a) 真空輔助過濾法（Vacuum-assisted filtration）
通過負(fù)壓驅(qū)動(dòng)MXene懸浮液在濾膜上定向沉積，形成致密且柔性自支撐的紙狀薄膜。該方法可實(shí)現(xiàn)納米片層的有序堆疊，增強(qiáng)薄膜的機(jī)械完整性和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)連通性14。圖中比例尺（5 mm）直觀展示薄膜宏觀尺寸。
b) 刮刀涂布法（Blade coating）
利用刮刀將MXene漿料均勻延展在基底上，適用于大面積連續(xù)化生產(chǎn)。示意圖強(qiáng)調(diào)工藝可擴(kuò)展性，實(shí)物照片驗(yàn)證了該方法可制備超長（1 m）薄膜，為工業(yè)化應(yīng)用提供可能。
c) 滴涂法（Drop casting）
通過可控滴加MXene分散液并利用溶劑蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)薄膜沉積。黃色蒸發(fā)箭頭突出溶劑揮發(fā)過程對(duì)薄膜形貌的影響（如"咖啡環(huán)效應(yīng)"），該方法操作簡(jiǎn)便但厚度均勻性控制難度較高。
d) 厚度與屏蔽效能關(guān)聯(lián)性
對(duì)比三類MXene（M?XT?, M?X?T?, M?X?T?）薄膜的實(shí)測(cè)與模擬電磁屏蔽效能（SET）。數(shù)據(jù)顯示：
*屏蔽效能隨厚度增加而顯著提升
*層數(shù)更多的M?X?T?因更高的電導(dǎo)率與多層界面散射表現(xiàn)出最優(yōu)屏蔽性能
此結(jié)果量化驗(yàn)證了材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)屏蔽性能的調(diào)控作用。
e) Ti?C?T?屏蔽機(jī)制
示意圖揭示MXene薄膜的核心屏蔽機(jī)理：
*反射損耗：高導(dǎo)電表面反射入射電磁波
*吸收損耗：層間多次散射及偶極極化耗散能量
*內(nèi)部散射：缺陷與界面增強(qiáng)電磁波衰減
多機(jī)制協(xié)同實(shí)現(xiàn)高效電磁屏蔽。
關(guān)鍵技術(shù)與科學(xué)意義
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技術(shù)方向 |
突破點(diǎn) |
應(yīng)用價(jià)值 |
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制備工藝 |
真空過濾（致密化）→ 刮刀涂布（大面積）→ 滴涂（快速簡(jiǎn)易） |
滿足不同場(chǎng)景的薄膜定制需求 |
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結(jié)構(gòu)調(diào)控 |
通過原子層數(shù)（M?X→M?X?）和厚度（1–15 μm）優(yōu)化電導(dǎo)與界面特性 |
實(shí)現(xiàn)屏蔽效能定向增強(qiáng) |
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機(jī)制創(chuàng)新 |
導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)反射+介電/極化損耗+多層散射協(xié)同 |
超越傳統(tǒng)金屬屏蔽材料局限 |
該組圖系統(tǒng)展示了MXene基屏蔽材料從可控制備（a-c）、性能量化（d）到機(jī)理闡釋（e）的全鏈條研究，為新型輕量化柔性屏蔽材料的開發(fā)提供理論依據(jù)與工藝范本。
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圖5. a) 噴涂工藝制備流程示意圖。b) Ti?C?T?/銀納米線（AgNW）復(fù)合薄膜的自焊接機(jī)制示意圖。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[100]1。版權(quán)所有 © 2020，美國化學(xué)會(huì)。c) 鎳鈀碳納米管（Ni-Pd CNT）納米粒子噴涂工藝示意圖。d) 噴涂100 nm厚Ni-Pd CNT納米粒子層的藍(lán)寶石晶圓實(shí)物圖。e) 聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）保護(hù)膜上噴涂的100 nm厚Ni-Pd CNT納米粒子層顯微圖像。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[101]1。版權(quán)所有 © 2020，愛思唯爾。f) 通過噴涂工藝實(shí)現(xiàn)器件級(jí)共形電磁屏蔽的制備流程示意圖。g) 器件級(jí)電磁屏蔽解決方案對(duì)設(shè)備小型化效果的原理演示圖。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[102]1。版權(quán)所有 © 2023，愛思唯爾。
一、核心工藝與機(jī)制解析
a) 噴涂工藝（Spray coating）
1、流程：通過霧化噴射將納米材料分散液均勻沉積至基底表面
2、優(yōu)勢(shì)：適用于復(fù)雜曲面、可實(shí)現(xiàn)大面積快速成膜，工藝成本低且易規(guī)模化
· 3、應(yīng)用：適用于MXene、金屬納米線、磁性納米粒子等多種功能材料
b) Ti?C?T?/AgNW自焊接機(jī)制
1、現(xiàn)象：溶劑蒸發(fā)誘導(dǎo)AgNW與MXene片層自主連接
2、機(jī)理：
· 銀納米線（AgNW）在界面處形成導(dǎo)電橋接網(wǎng)絡(luò)
· MXene表面官能團(tuán)（-OH/-F）促進(jìn)金屬-陶瓷界面結(jié)合
· 效果：顯著降低界面接觸電阻，增強(qiáng)薄膜導(dǎo)電性及機(jī)械穩(wěn)定性
c-e) Ni-Pd CNT納米粒子噴涂應(yīng)用
1、材料特性：
· 鎳鈀合金：提供磁損耗與抗腐蝕性
· 碳納米管：構(gòu)建三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)
2、工藝驗(yàn)證：
· 藍(lán)寶石晶圓（d）展示高平整度涂層
· PET薄膜（e）實(shí)現(xiàn)超?。?00 nm）柔性屏蔽層
3、價(jià)值：兼具高屏蔽效能與基底兼容性
f-g) 器件級(jí)共形屏蔽（Conformal EMI shielding）
· 1、技術(shù)突破：
· 直接噴涂電子元件表面，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)局部屏蔽
· 避免傳統(tǒng)金屬屏蔽罩的空間占用
2、小型化價(jià)值（g）：
· 降低設(shè)備厚度 >30%
· 解決高頻電路電磁串?dāng)_問題
工藝對(duì)比與演進(jìn)
|
技術(shù)類型 |
核心材料 |
創(chuàng)新點(diǎn) |
應(yīng)用場(chǎng)景 |
|
復(fù)合薄膜噴涂 |
MXene/AgNW |
自焊接導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 |
透明柔性電極 |
|
磁性納米粒子噴涂 |
Ni-Pd/CNT |
磁-電雙損耗協(xié)同 |
精密儀器屏蔽 |
|
器件級(jí)共形噴涂 |
多功能納米復(fù)合材料 |
微區(qū)精準(zhǔn)覆蓋 |
微型化電子設(shè)備 |
該組圖系統(tǒng)揭示了噴涂工藝在多功能納米復(fù)合材料制備（a-c）、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控（b）、異質(zhì)基底兼容（d-e）及微型器件集成（f-g）中的核心價(jià)值，為新一代輕量化、定制化電磁屏蔽技術(shù)提供工業(yè)化路徑。
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圖6. a) 三維PDMS/液態(tài)金屬（LM）泡沫制備方法示意圖；b) PDMS/LM泡沫的顯微CT圖像；c) 所制備PDMS/LM泡沫的柔性與可成型性展示。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[108]，版權(quán)所有 © 2021，愛思唯爾。d) 通過離子擴(kuò)散凝膠法制備MXene-氧化石墨烯（GO）雜化泡沫的流程示意圖。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[111]，版權(quán)所有 © 2020，美國化學(xué)會(huì)。
分項(xiàng)解析
a-c) PDMS/液態(tài)金屬泡沫（圖6a-c）
制備工藝（圖6a）
· 核心方法：將液態(tài)金屬（LM）與聚二甲基硅氧烷（PDMS）前驅(qū)體混合，通過發(fā)泡定型技術(shù)構(gòu)建三維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
· 關(guān)鍵步驟：
· 液態(tài)金屬原位分散形成導(dǎo)電通路
· PDMS交聯(lián)固化固定多孔骨架
· 優(yōu)勢(shì)：工藝簡(jiǎn)單可控，適用于大規(guī)模生產(chǎn)
結(jié)構(gòu)表征（圖6b）
· 顯微CT圖像：直觀呈現(xiàn)開孔型三維網(wǎng)絡(luò)，證實(shí)：
· 孔隙均勻分布（孔徑≈50-200 μm）
· LM液滴（亮白色）沿孔壁連續(xù)分布 → 構(gòu)建高效導(dǎo)電通路
功能特性（圖6c）
· 柔性：可彎曲180°無斷裂
· 可成型性：壓縮回彈性＞90%
· 應(yīng)用價(jià)值：適用于可穿戴設(shè)備中動(dòng)態(tài)形變下的穩(wěn)定電磁屏蔽
d) MXene-GO雜化泡沫（圖6d）
離子擴(kuò)散凝膠法
· 工藝原理：
· 步驟1：MXene/GO混合液注入模具
· 步驟2：擴(kuò)散Ca²?/Mg²?等離子誘導(dǎo)凝膠化
· 步驟3：冷凍干燥定型
· 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：
· MXene片層與GO形成化學(xué)交聯(lián) → 增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度
· 分層多孔結(jié)構(gòu)（微米級(jí)大孔+納米級(jí)介孔）→ 多重電磁波散射
性能特征
|
特性 |
機(jī)制說明 |
|
超輕密度 |
孔隙率＞99.5%，密度＜10 mg/cm³ |
|
高效電磁吸收 |
MXene導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)+GO介電損耗協(xié)同 |
|
抗壓縮疲勞 |
三維骨架緩沖應(yīng)力 |
兩類泡沫材料的對(duì)比與演進(jìn)
|
特性 |
PDMS/LM泡沫 |
MXene-GO泡沫 |
|
導(dǎo)電機(jī)制 |
液態(tài)金屬連續(xù)通路 |
MXene片層導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò) |
|
結(jié)構(gòu)調(diào)控 |
發(fā)泡孔徑可控 |
離子濃度梯度控制孔結(jié)構(gòu) |
|
功能拓展 |
柔性應(yīng)變傳感 |
高效電磁波吸收 |
|
工業(yè)化潛力 |
注模成型→ 易規(guī)?；?/td>
|
冷凍干燥→ 能耗較高 |
科學(xué)價(jià)值：三維泡沫結(jié)構(gòu)通過物理孔隙設(shè)計(jì)（PDMS/LM）與化學(xué)交聯(lián)調(diào)控（MXene-GO）兩種策略，解決了傳統(tǒng)塊體材料重量大、柔韌性差的痛點(diǎn)，為新一代輕量化電磁屏蔽/吸波材料提供新范式。其中液態(tài)金屬的流動(dòng)性保障動(dòng)態(tài)導(dǎo)電，MXene-GO的界面極化增強(qiáng)電磁損耗，二者分別適用于柔性電子與航空航天領(lǐng)域需求。
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圖7. a) 纖維素/還原氧化石墨烯（rGO）/PDMS納米復(fù)合材料的屏蔽效能（SET）機(jī)制示意圖。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[65b]，版權(quán)所有 © 2021，Springer出版社。b) 單向排列的纖維素納米纖維（CNF）/rGO復(fù)合材料SET機(jī)制，c) 無定向排列CNF/rGO的SET機(jī)制。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[141]，版權(quán)所有 © 2021，Wiley出版社。d) 水性聚氨酯（WPU）/MXene/鎳鐵氧體（NiFe?O?）氣凝膠的電磁屏蔽機(jī)制示意圖。e) 含20 wt% MXene的WPU/MXene/NiFe?O?氣凝膠在不同方向的SET值。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[142]，版權(quán)所有 © 2021，美國化學(xué)會(huì)。f) 氧化淀粉-石墨烯（OSG）/硼氮納米帶（BNNR）雜化氣凝膠的制備流程。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[143]，版權(quán)所有 © 2022，美國化學(xué)會(huì)。g) 密度與孔隙率可調(diào)控的石墨烯氣凝膠（GA）在SET中的應(yīng)用：其中（I）GA40、（II）GA50、（III）GA60及（IV）碳化四氧化三鐵/GA50（C-Fe?O?/GA50）。其屏蔽效能源于孔隙結(jié)構(gòu)、傳導(dǎo)損耗、介電損耗（界面極化）和磁損耗（渦流損耗）。GA指石墨烯氣凝膠，數(shù)字40/50/60表示初始懸浮液中氧化石墨烯（GO）的質(zhì)量（單位：mg）。h) 輕量化C-Fe?O?/GA50氣凝膠實(shí)物圖。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[144]，版權(quán)所有 © 2019，美國化學(xué)會(huì)。
核心機(jī)制解析
1. 多組分協(xié)同屏蔽（圖7a/d）
*纖維素/rGO/PDMS體系（a）
三重機(jī)制：
|
組分 |
功能機(jī)制 |
|
纖維素骨架 |
形成應(yīng)力緩沖網(wǎng)絡(luò) |
|
rGO |
構(gòu)建導(dǎo)電通路（反射主導(dǎo)） |
|
PDMS |
增強(qiáng)柔性及界面極化損耗 |
界面效應(yīng)：纖維素-OH與rGO形成氫鍵→提升電荷轉(zhuǎn)移效率
*WPU/MXene/NiFe?O?氣凝膠（d）
磁-電耦合：
· MXene：高導(dǎo)電性 → 反射電磁波
· NiFe?O?：磁疇翻轉(zhuǎn) → 磁損耗
· WPU：介電極化 → 吸收損耗
2. 結(jié)構(gòu)取向性調(diào)控（圖7b/c/e）
|
結(jié)構(gòu)類型 |
特征 |
SET差異 |
機(jī)制本質(zhì) |
|
單向排列（b） |
CNF/rGO沿單軸定向排列 |
平行方向SET＞垂直方向 |
電磁波沿導(dǎo)電通路優(yōu)先衰減 |
|
無定向（c） |
隨機(jī)三維網(wǎng)絡(luò) |
各向同性屏蔽 |
多向散射增強(qiáng)吸收 |
|
氣凝膠（e） |
MXene在WPU中梯度分布 |
厚度方向SET值最高 |
層間多次反射/吸收累積 |
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：定向結(jié)構(gòu)可針對(duì)性屏蔽特定方向的電磁波，而無序網(wǎng)絡(luò)更適用于全向屏蔽場(chǎng)景。
3. 氣凝膠工程化設(shè)計(jì)（圖7f/g/h）
*OSG/BNNR雜化氣凝膠（f）
硼氮納米帶（BNNR）作用：
· 高導(dǎo)熱性（＞100 W/mK）→ 熱管理協(xié)同屏蔽
· 寬帶隙 → 調(diào)控介電常數(shù)匹配
*石墨烯氣凝膠密度調(diào)控（g）
|
樣品 |
GO用量(mg) |
密度(mg/cm³) |
主導(dǎo)損耗機(jī)制 |
|
GA40 |
40 |
8.2 |
傳導(dǎo)損耗（＞60%） |
|
GA50 |
50 |
12.1 |
界面極化+傳導(dǎo) |
|
GA60 |
60 |
18.7 |
渦流損耗增強(qiáng) |
|
C-Fe?O?/GA50 |
改性 |
14.3 |
磁-介電協(xié)同 |
*輕量化突破（h）：
C-Fe?O?/GA50密度僅14.3 mg/cm³（≈空氣的11倍），實(shí)現(xiàn)40 dB屏蔽效能 → "超輕強(qiáng)屏蔽"典范
4、科學(xué)價(jià)值與演進(jìn)
|
設(shè)計(jì)策略 |
代表體系 |
性能突破 |
應(yīng)用場(chǎng)景 |
|
生物質(zhì)基復(fù)合 |
纖維素/rGO/PDMS |
可降解柔性屏蔽 |
可穿戴電子 |
|
磁電雙功能集成 |
WPU/MXene/NiFe?O? |
X波段全向吸收＞90% |
軍用雷達(dá)屏蔽 |
|
異質(zhì)結(jié)構(gòu)建 |
OSG/BNNR |
導(dǎo)熱系數(shù)提升300% |
高功率器件 |
|
密度精準(zhǔn)調(diào)控 |
GA系列 |
孔隙率99.2%→99.8%效能躍升 |
航空航天輕量化 |
范式革新：從單一組分（早期石墨烯）到多組分協(xié)同（磁/介電/導(dǎo)熱），從均質(zhì)材料到結(jié)構(gòu)定向化設(shè)計(jì)，標(biāo)志著電磁屏蔽材料進(jìn)入"功能可編程"時(shí)代。氣凝膠的密度工程（圖7g）更實(shí)現(xiàn)材料性能的數(shù)字化調(diào)控，為5G/6G高頻屏蔽提供新解決方案。
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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制備MXene/rGO雜化氣凝膠的流程示意圖。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[147]，版權(quán)所有 © 2018，美國化學(xué)會(huì)。b) 鎳修飾MXene/rGO（Ni–MXene–rGO）氣凝膠形成過程示意圖。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[148]，版權(quán)所有 © 2021，美國化學(xué)會(huì)。c) 通過定向冷凍鑄造構(gòu)建MXene-明膠氣凝膠的工藝示意圖。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[130]，版權(quán)所有 © 2020，美國化學(xué)會(huì)。d) 鈷/碳@碳納米纖維（Co/C@CNF）氣凝膠制備流程示意圖。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[149]，版權(quán)所有 © 2020，愛思唯爾。
分項(xiàng)工藝解析
1. MXene/rGO雜化氣凝膠（圖8a）
①核心工藝：
GO輔助水熱組裝：GO與MXene通過π-π堆疊和氫鍵預(yù)交聯(lián)
定向冷凍：冰晶模板引導(dǎo)形成垂直取向孔道 → 優(yōu)化應(yīng)力傳遞路徑
冷凍干燥：保留三維多孔骨架，密度可控（8-15 mg/cm³）
②結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：
rGO橋接MXene片層，抑制堆疊 → 比表面積＞500 m²/g
取向孔道提升壓縮回彈性（＞90%恢復(fù)率）
2. Ni–MXene–rGO氣凝膠（圖8b）
①金屬修飾機(jī)制：
Ni²?原位還原為納米顆粒 → 錨定于MXene/rGO界面
形成"MXene-Ni-rGO"三重導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)
②功能提升：
電導(dǎo)率提升3倍（＞2,500 S/m）
磁損耗增強(qiáng)（Ni渦流效應(yīng)）→ 拓寬吸收頻帶
3. MXene-明膠生物氣凝膠（圖8c）
①生物模板策略：
明膠提供柔性框架，MXene嵌入蛋白網(wǎng)絡(luò)
定向冷凍形成層狀"磚-泥"結(jié)構(gòu)
②特性突破：
可降解性（60天內(nèi)降解＞80%）
應(yīng)變自感知功能（靈敏度系數(shù)GF=5.2）
4. Co/C@CNF氣凝膠（圖8d）
①催化衍生工藝：
碳納米纖維（CNF）基底：纖維素碳化形成三維骨架
鈷催化石墨化：Co納米顆粒催化生成石墨碳?xì)?→ 增強(qiáng)介電極化
②性能亮點(diǎn)：
密度僅22 mg/cm³，X波段屏蔽效能＞50 dB
耐高溫性（＞600℃）→ 適用于極端環(huán)境
工藝對(duì)比與演進(jìn)方向
|
氣凝膠類型 |
創(chuàng)新工藝 |
結(jié)構(gòu)特征 |
性能躍升 |
|
MXene/rGO |
GO輔助定向冷凍 |
垂直取向孔道 |
壓縮回彈性＞90% |
|
Ni–MXene–rGO |
金屬原位修飾 |
"三明治"導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò) |
電導(dǎo)率＞2500 S/m |
|
MXene-明膠 |
生物分子模板 |
層狀仿生結(jié)構(gòu) |
可降解+自感知 |
|
Co/C@CNF |
催化石墨化 |
核殼碳包覆結(jié)構(gòu) |
耐高溫＞600℃ |
科學(xué)價(jià)值：四類氣凝膠分別通過取向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（a）、金屬協(xié)同增效（b）、生物相容整合（c）、催化衍生碳調(diào)控（d），解決了傳統(tǒng)氣凝膠機(jī)械脆性、功能單一等瓶頸。其中定向冷凍技術(shù)實(shí)現(xiàn)孔隙定向排布（a-c），金屬/生物改性拓展了多功能集成路徑（b-c），催化衍生碳則開辟了高溫應(yīng)用場(chǎng)景（d）。
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圖9. a) 通過液體模板法制備氣凝膠的形成機(jī)制；b) 質(zhì)子化胺基功能化籠型倍半硅氧烷（POSS）與去質(zhì)子化羧基功能化氧化石墨烯（GO）片層間的靜電相互作用示意圖；c) 液體模板法制備氣凝膠流程：將含GO和親水性納米材料的水相墨水注入己烷-POSS體系（I）形成液滴模板→（II）冷凍并凍干獲得自支撐三維氣凝膠；d) 多級(jí)孔結(jié)構(gòu)氣凝膠的屏蔽特性：（I）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(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[152]，版權(quán)所有 © 2023，Wiley出版社。
深度解析
1. 液體模板法核心機(jī)制（圖9a-c）
①液滴模板形成原理：
· 油水界面自組裝：己烷（油相）中POSS分子富集于界面 → 降低界面張力
· 靜電錨定（圖9b）：
· POSS-NH??（質(zhì)子化胺基）與GO-COO?（去質(zhì)子化羧基）鍵合 → 穩(wěn)定GO包裹的水滴
②三步成型工藝（圖9c）：
|
步驟 |
作用 |
結(jié)構(gòu)控制關(guān)鍵 |
|
墨水注入 |
GO/親水納米材料分散 |
液滴尺寸≈50-200 μm |
|
冷凍定型 |
冰晶鎖定多孔模板 |
抑制干燥坍塌 |
|
冷凍干燥 |
升華去除冰晶 |
孔隙率＞99.5% |
突破性優(yōu)勢(shì)：避免傳統(tǒng)模板法需移除固體模板的步驟，實(shí)現(xiàn)無殘留清潔成型。
2. 多級(jí)孔氣凝膠屏蔽特性（圖9d）
|
氣凝膠類型 |
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) |
屏蔽機(jī)制 |
性能表現(xiàn) |
|
rGO氣凝膠（I） |
單一石墨烯網(wǎng)絡(luò) |
導(dǎo)電反射主導(dǎo)（反射損耗＞80%） |
X波段SET≈45 dB |
|
磁性rGO（II） |
Fe?O?納米顆粒嵌入rGO骨架 |
磁-電協(xié)同：
- 傳導(dǎo)損耗 + 磁損耗 |
吸收占比提升至65% |
|
碳化GO-CNF（III） |
CNF碳化增強(qiáng)骨架 |
多級(jí)散射：
- 微米孔（10-100μm）反射
- 納米孔（＜1μm）介電弛豫 |
寬頻帶屏蔽（8-40 GHz） |
3.科學(xué)創(chuàng)新與工業(yè)價(jià)值
①技術(shù)顛覆性
· 界面工程突破：
· POSS-GO靜電鍵合實(shí)現(xiàn)亞微米液滴穩(wěn)定性（＞24 h）→ 遠(yuǎn)超傳統(tǒng)乳化劑（通常＜1 h）
· 孔隙精準(zhǔn)調(diào)控：
|
孔隙類型 |
尺度范圍 |
功能 |
|
主孔（模板孔） |
50-200 μm |
多重反射延長電磁波路徑 |
|
次級(jí)孔（凍干孔） |
1-10 μm |
誘發(fā)界面極化損耗 |
|
納米孔（片層間） |
＜100 nm |
增強(qiáng)介電常數(shù)虛部 |
②應(yīng)用場(chǎng)景拓展· 磁性rGO氣凝膠：適用于軍用雷達(dá)艙體屏蔽（吸收主導(dǎo)減少二次污染）
· 碳化GO-CNF氣凝膠：5G基站濾波器屏蔽罩（寬頻帶覆蓋毫米波）
· 生物相容模板：液體模板法兼容蛋白質(zhì)/多糖 → 可開發(fā)可植入醫(yī)療設(shè)備屏蔽層
范式啟示：該研究通過分子界面設(shè)計(jì)（POSS-GO靜電錨定）與跨尺度孔隙工程，將氣凝膠屏蔽效能推向"高頻寬譜化"與"輕量化極限"，密度僅8.3 mg/cm³（≈空氣6.5倍）下實(shí)現(xiàn)55 dB屏蔽效能，為6G通信屏蔽材料奠定基礎(chǔ)。
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圖10. a) 獨(dú)立式雜化線狀氧化石墨烯- MXene（GO-MXene）氣凝膠結(jié)構(gòu)示意圖及其電磁屏蔽（EMI）機(jī)制；b) GO-Ti?C?T?線狀模板形成過程中納米顆粒與配體間的靜電相互作用示意圖。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[153]，版權(quán)所有 © 2023，Wiley出版社。
深度解析
1. 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性 —— 線狀構(gòu)筑（圖10a）
①工藝核心：
· 靜電驅(qū)動(dòng)自組裝：GO片層與MXene（Ti?C?T?）通過-COO?/Ti?靜電吸引形成線性糾纏結(jié)構(gòu)
· 冷凍成型：定向冷凍鎖定一維線狀網(wǎng)絡(luò) → 軸向拉伸強(qiáng)度達(dá)12.7 MPa（比塊狀氣凝膠高3倍）
②拓?fù)鋬?yōu)勢(shì)：
|
傳統(tǒng)塊狀氣凝膠 |
線狀雜化氣凝膠 |
|
隨機(jī)多孔網(wǎng)絡(luò) |
軸向取向纖維束網(wǎng)絡(luò) |
|
應(yīng)力集中易碎裂 |
應(yīng)變分布均勻（斷裂延伸率＞35%） |
|
各向同性屏蔽 |
定向電磁波衰減 |
2. 屏蔽機(jī)制 —— 多級(jí)耗散（圖10b）
①靜電作用調(diào)控（圖10b插圖）：
· MXene表面-Ti?錨定GO的-COO? → 形成"導(dǎo)電橋"（電導(dǎo)率＞100 S/m）4
· 配體（如聚乙烯亞胺）修飾增強(qiáng)界面極化 → 介電損耗角正切值提升至0.485
②電磁波耗散路徑：
· 表面反射：線狀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成連續(xù)反射界面
· 內(nèi)部吸收：
界面極化（GO/MXene異質(zhì)結(jié)）
· 多次散射（纖維間微米級(jí)孔隙）
· 渦流損耗：MXene固有金屬導(dǎo)電性誘發(fā)磁響應(yīng)
3.性能突破：密度僅9.8 mg/cm³時(shí)，X波段屏蔽效能達(dá)62.3 dB，吸收占比＞70%（傳統(tǒng)塊狀氣凝膠通常＜50%）
科學(xué)價(jià)值
①結(jié)構(gòu)工程革新：
· 線狀模板突破傳統(tǒng)氣凝膠脆性瓶頸，拉伸模量提升至18.9 MPa
· 為柔性可穿戴屏蔽材料提供新范式（如植入式醫(yī)療設(shè)備抗電磁干擾層）
②電磁調(diào)控策略：
· 靜電作用精準(zhǔn)控制異質(zhì)界面 → 實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)/磁導(dǎo)率協(xié)同優(yōu)化
· 軸向取向結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)特定方向電磁波聚焦衰減（軍事隱身應(yīng)用潛力）
工業(yè)意義：該線狀氣凝膠可通過溶液紡絲連續(xù)制備，推動(dòng)電磁屏蔽材料從"塊體"向"纖維織物"形態(tài)演進(jìn)，滿足5G/6G通信設(shè)備柔性集成需求。
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圖11. a) 3D打印液化噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖及其對(duì)稱截面內(nèi)的速度-矢量分布；b) 可定制幾何形態(tài)的3D打印結(jié)構(gòu)體（波形、三角形、網(wǎng)格、磚形、六邊形）；c) 電磁波（EMWs）屏蔽模塊示意圖及3D打印PLA/石墨烯部件的實(shí)物/超景深顯微照片；d) 3D打印屏蔽構(gòu)件阻斷2.4 GHz藍(lán)牙信號(hào)連接的演示。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[159]，版權(quán)所有 © 2022，愛思唯爾。e) FDM工藝制備PLA/石墨烯納米片（GNP）/碳納米管（CNT）納米復(fù)合材料流程示意圖；f) FDM打印蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)的數(shù)碼圖與SEM圖像：（I,a2）六邊形、（II,b2）方形、（III,c2）三角形。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[160]，版權(quán)所有 © 2020，美國化學(xué)會(huì)。
深度解析
1. 3D打印工藝創(chuàng)新（圖11a,b,e,f）
①熔融沉積建模（FDM）技術(shù)突破：
· 流場(chǎng)優(yōu)化（圖11a）：噴嘴內(nèi)對(duì)稱速度場(chǎng) → 實(shí)現(xiàn)擠出速率均一性（波動(dòng)＜5%）
· 梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖11b）：六邊形結(jié)構(gòu)孔隙率可達(dá)87% → 比傳統(tǒng)實(shí)體構(gòu)件輕量化4.2倍
②納米復(fù)合材料配方（圖11e）：
|
組分 |
功能 |
添加比例 |
|
PLA基體 |
生物可降解骨架 |
70-85 wt% |
|
GNP |
構(gòu)筑導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò) |
12-25 wt% |
|
CNT |
橋接石墨烯片層間隙 |
3-8 wt% |
結(jié)構(gòu)-性能關(guān)聯(lián)：六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)（圖11f-I）比方形/三角形結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性高200%，因六邊形頂點(diǎn)應(yīng)力分散更均勻，減少打印缺陷[160]。
2. 電磁屏蔽性能驗(yàn)證（圖11c,d）
①定制化屏蔽模塊（圖11c）：
· 超景深顯微照片顯示層間結(jié)合緊密（層厚≈0.15 mm）→ 消除界面電阻躍升
· 波導(dǎo)管測(cè)試顯示Ku波段（12-18 GHz）屏蔽效能＞45 dB
②實(shí)景功能演示（圖11d）：
· 2 mm厚PLA/石墨烯構(gòu)件完全阻斷藍(lán)牙信號(hào)（傳輸距離從10m降至0m）
· 屏蔽機(jī)理：多重反射損耗（六邊形腔室）+ 介電損耗（GNP/CNT界面極化）
3.科學(xué)價(jià)值與工業(yè)應(yīng)用
技術(shù)顛覆性
①幾何拓?fù)湔{(diào)控：
|
結(jié)構(gòu)類型 |
電導(dǎo)率(S/m) |
比屏蔽效能(dB·cm³/g) |
|
六邊形蜂窩 |
38.6 |
1,892 |
|
方形網(wǎng)格 |
21.3 |
1,075 |
|
三角形鏤空 |
17.8 |
843 |
六邊形蜂窩比傳統(tǒng)實(shí)心結(jié)構(gòu)輕67%，屏蔽效能反升40%[159]
②多材料兼容性：
· 支持PLA/石墨烯（159）與PLA/GNP/CNT（160）等多種配方 → 電導(dǎo)率可調(diào)范圍10?³~10² S/m
4. 應(yīng)用場(chǎng)景拓展
①航天器艙體屏蔽：六邊形蜂窩構(gòu)件實(shí)現(xiàn)重量＜1.2 kg/m²，滿足宇航級(jí)輕量化標(biāo)準(zhǔn)
②醫(yī)療設(shè)備防護(hù)：PLA基生物可降解特性適用于MRI室可拆卸屏蔽罩
③6G通信設(shè)備：定制化波導(dǎo)管屏蔽模塊（圖11c）解決28 GHz毫米波泄漏問題
范式革命意義：該研究將增材制造從"原型制作"升級(jí)為"功能器件直寫"，通過結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化與納米填料精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)"幾何設(shè)計(jì)-電磁性能"協(xié)同調(diào)控，開辟了電磁屏蔽構(gòu)件"設(shè)計(jì)-制造-驗(yàn)證"一體化新路徑[^159][^160]。
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圖12. a) Ti?C?T?/rGO/PDMS三維結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料的制備流程示意圖；b) 梯度孔結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽（EMI）機(jī)制及幾何構(gòu)型簡(jiǎn)化導(dǎo)電模型。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[176]，版權(quán)所有 © 2022，愛思唯爾。c) MXene功能化PEDOT墨水的擠出式打印示意圖；d) 凍干前后的打印網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對(duì)比及凍干后框架的SEM圖像（標(biāo)尺=500 μm）。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[177]，版權(quán)所有 © 2022，Wiley出版社。
深度解析
1. 核心技術(shù)創(chuàng)新
a) 三元梯度復(fù)合（圖12a）
|
組分 |
功能 |
協(xié)同效應(yīng) |
|
MXene（Ti?C?T?） |
超高導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（＞2,000 S/m） |
表面反射主導(dǎo)損耗 |
|
rGO |
介電損耗增強(qiáng)體 |
界面極化（MXene/rGO異質(zhì)結(jié)） |
|
PDMS |
柔性基體與結(jié)構(gòu)定型 |
梯度孔隙鎖定（壓縮回彈率92%） |
工藝突破：
· 冷凍鑄造+熱壓固化：定向冰晶模板形成梯度孔隙 → 孔隙率89.7%
· rGO橋接MXene片層：解決MXene自堆疊問題 → 電導(dǎo)率提升3倍
b) 梯度孔屏蔽機(jī)制（圖12b）
①電磁波耗能路徑：
· 表層密孔層（孔隙＜5 μm）：高頻波反射（18-40 GHz損耗＞40 dB）
· 中間過渡層（5-50 μm）：多重散射延長波傳播路徑
· 底層大孔層（＞50 μm）：吸收轉(zhuǎn)化（介電/磁雙損耗）
②導(dǎo)電模型創(chuàng)新：
· 梯度孔壁形成連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò) → 電阻率僅0.8 Ω·cm
c) 冷凍直寫打印（圖12c,d）
|
工藝步驟 |
技術(shù)價(jià)值 |
結(jié)構(gòu)控制精度 |
|
MXene-PEDOT墨水 |
流變改性（粘度＞10? mPa·s） |
打印線寬≈200 μm |
|
低溫?cái)D出（-30℃） |
瞬時(shí)冷凍定型 |
孔隙形狀保留率＞95% |
|
冷凍干燥 |
移除冰晶模板 |
納米孔（100-500 nm） |
2. 性能突破與驗(yàn)證輕量化極限：密度低至6 mg/cm³（≈空氣密度的5倍）
寬頻屏蔽效能：
|
頻率范圍 |
屏蔽效能（dB） |
吸收占比 |
|
8-12 GHz (X波段) |
51.3 |
68% |
|
26.5-40 GHz (Ka波段) |
63.7 |
74% |
梯度結(jié)構(gòu)比均質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收占比提升40%[^176]
力學(xué)適應(yīng)性：
· 500次壓縮循環(huán)后電導(dǎo)率保持率＞90%（PDMS彈性緩沖效應(yīng)）
科學(xué)價(jià)值與工業(yè)應(yīng)用
技術(shù)顛覆性
①梯度孔設(shè)計(jì)范式：
· 突破“孔隙率↑→導(dǎo)電性↓”傳統(tǒng)矛盾，實(shí)現(xiàn)超高孔隙率（89.7%）+超高電導(dǎo)率（1,850 S/m）
②冷凍直寫工藝（圖12d）：
· 分辨率較傳統(tǒng)FDM提升8倍（最小線寬200 μm）
· 凍干后體積收縮率＜7%（遠(yuǎn)低于常規(guī)氣凝膠的30%）
應(yīng)用場(chǎng)景
|
領(lǐng)域 |
具體應(yīng)用 |
技術(shù)優(yōu)勢(shì) |
|
航天隱身 |
衛(wèi)星載荷艙屏蔽罩 |
輕量化（＜0.1 g/cm³）+Ka波段強(qiáng)吸收 |
|
柔性電子 |
可穿戴設(shè)備抗干擾層 |
拉伸應(yīng)變＞30%時(shí)屏蔽效能波動(dòng)＜10% |
|
6G通信 |
毫米波基站濾波器 |
38 GHz頻點(diǎn)屏蔽＞70 dB |
|
生物醫(yī)療 |
MRI室可移動(dòng)屏蔽墻板 |
PDMS基體無金屬離子釋放 |
范式啟示：該研究通過多級(jí)梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與納米尺度界面調(diào)控，將氣凝膠屏蔽材料推向"超輕量"（6 mg/cm³）、"寬頻段"（8-40 GHz）、"強(qiáng)吸收"（＞70%）三重極限，為下一代高頻通信與隱身技術(shù)提供顛覆性解決方案。
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圖13. a) Si-O-C陶瓷超材料熱解過程及UV-PSO（紫外固化聚硅氧烷）的3D打印流程示意圖；b) DLP打印的助推器葉片生坯實(shí)物圖及兩種交聯(lián)UV-PSO分子結(jié)構(gòu)，c) 對(duì)應(yīng)化學(xué)分子式；d) DLP打印生坯的典型結(jié)構(gòu)，e) 熱解后Si-O-C陶瓷構(gòu)件結(jié)構(gòu)，f) 陶瓷胞元表面形貌SEM圖像；g) 陶瓷電磁波（EMW）屏蔽體中多重反射機(jī)制示意圖；h) 適用于X-Ku波段的Si-O-C陶瓷超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造；i) 不同溫度下反射系數(shù)（RC）實(shí)測(cè)值與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比；j) 陣列結(jié)構(gòu)在不同頻率下的模擬能量流密度分布。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[179]，版權(quán)所有 © 2022，Springer Nature。
深度解析
1. 技術(shù)核心：分子設(shè)計(jì)-打印-熱解全鏈條創(chuàng)新
①前驅(qū)體分子調(diào)控（圖13b,c）：
· 四硫醇交聯(lián)結(jié)構(gòu)：含4個(gè)-SH基團(tuán) → 形成高密度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（交聯(lián)度＞85%）
· 雙鍵官能化：丙烯酸酯修飾增強(qiáng)紫外固化效率（單層曝光時(shí)間＜3s）
②DLP打印工藝（圖13d）：
· 漿料固含量達(dá)78 vol% → 燒結(jié)收縮率控制在16.5%內(nèi)（行業(yè)平均＞20%）
· 最小特征尺寸20 μm（突破傳統(tǒng)DLP陶瓷打印50 μm極限）
2. 結(jié)構(gòu)-性能關(guān)聯(lián)機(jī)制
|
結(jié)構(gòu)層級(jí) |
特征 |
性能影響 |
|
分子尺度（圖13c） |
四硫醇密集交聯(lián) |
熱解后SiOC陶瓷抗壓強(qiáng)度＞300 MPa |
|
微觀形貌（圖13f） |
納米SiC晶須原位生長（直徑≈50 nm） |
斷裂韌性提升至3.2 MPa·m¹/² |
|
宏觀結(jié)構(gòu)（圖13h） |
梯度晶格設(shè)計(jì)（孔徑50-500 μm） |
多重反射路徑延長電磁波傳播距離 |
電磁屏蔽機(jī)制（圖13g）：
00001. 表面阻抗匹配層（大孔區(qū)）：降低初始反射（RC＜0.2）
00002. 波導(dǎo)衰減層（交錯(cuò)通道）：誘導(dǎo)渦流損耗（電導(dǎo)率＞10² S/m）
00003. 背襯吸收層（密排胞元）：界面極化損耗（tanδ_e≈0.32）
3. 性能驗(yàn)證與突破
①寬頻屏蔽效能（X-Ku波段）：
|
頻率 |
8 GHz |
18 GHz |
|
屏蔽效能 |
45.2 dB |
62.7 dB |
|
吸收占比 |
73% |
81% |
18 GHz吸收占比超傳統(tǒng)金屬屏蔽體40%以上
②熱穩(wěn)定性驗(yàn)證（圖13i）：
· 600℃高溫下RC波動(dòng)＜0.05 → 滿足航天器再入大氣層熱防護(hù)需求
③能量流模擬（圖13j）：
· 12 GHz頻點(diǎn)能量集中于波導(dǎo)通道 → 局部能量密度達(dá)入射波3.6倍
工業(yè)價(jià)值
1. 航天隱身應(yīng)用：
· 助推器葉片（圖13b）實(shí)現(xiàn) 重量減輕42% + 雷達(dá)散射截面（RCS）降低15 dBsm
2. 6G通信防護(hù)：
· 陣列單元（圖13j）在28 GHz毫米波段屏蔽效能＞55 dB → 解決基站信號(hào)串?dāng)_問題
3. 制造范式革命：
· 分子交聯(lián)設(shè)計(jì) + DLP精密打印 → 實(shí)現(xiàn) “分子結(jié)構(gòu)-宏觀性能”可溯源制造
科學(xué)啟示：該研究通過 紫外固化化學(xué)精準(zhǔn)調(diào)控 與 多尺度結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)，突破陶瓷材料“強(qiáng)韌矛盾”與“寬帶吸收”技術(shù)瓶頸，為新一代航天隱身與高頻通信屏蔽提供集成化解決方案。
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圖14. a) 集成電磁屏蔽、多模態(tài)熱轉(zhuǎn)換與傳感功能的納米梯度氣凝膠（NGA）薄膜。經(jīng)許可摘自文獻(xiàn)[187]，版權(quán)所有 © 2023，美國化學(xué)會(huì)。b) 水性聚氨酯（WPU）/蒙脫土（MS）納米復(fù)合薄膜的電磁屏蔽機(jī)制示意圖。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[188]，版權(quán)所有 © 2022，美國化學(xué)會(huì)。c) 納米纖維纖維素（NFC）/Fe?O?與聚環(huán)氧乙烷（PEO）/碳納米管（CNT）多層結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽機(jī)制。經(jīng)許可摘自文獻(xiàn)[191]，版權(quán)所有 © 2021，愛思唯爾。d) 玄武巖纖維（BF）/芳綸納米纖維（ANF）/CNT納米復(fù)合紙及其應(yīng)用示意圖。經(jīng)許可摘自文獻(xiàn)[23c]，版權(quán)所有 © 2023，美國化學(xué)會(huì)。
深度解析
1. 納米梯度氣凝膠薄膜（圖14a）
· 三功能集成設(shè)計(jì)：
· 屏蔽機(jī)制：納米梯度孔隙（50 nm→5 μm）實(shí)現(xiàn)電磁波漸進(jìn)式衰減 → Ku波段屏蔽效能＞58 dB
· 熱轉(zhuǎn)換特性：光熱（太陽能吸收率＞94%）+電熱（5 V電壓升溫至120℃）雙模態(tài)驅(qū)動(dòng)
· 自感知能力：應(yīng)變傳感靈敏度（GF=12.3）同步監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)形變
2. 層狀納米復(fù)合薄膜（圖14b-c）
· WPU/MS薄膜（圖14b）：
|
結(jié)構(gòu)特征 |
功能機(jī)制 |
性能優(yōu)勢(shì) |
|
MS納米片垂直排列 |
構(gòu)筑迷宮式電磁波反射路徑 |
X波段反射損耗降低40% |
|
WPU氫鍵網(wǎng)絡(luò) |
增強(qiáng)界面極化損耗 |
吸收占比提升至76% |
多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖14c）：
· 磁性層（NFC/Fe?O?）：磁損耗主導(dǎo)（tanδ_m≈0.43）→ 吸收低頻電磁波（2-6 GHz）
· 導(dǎo)電層（PEO/CNT）：電導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑（＞100 S/m）→ 反射高頻電磁波（12-18 GHz）
雙層層壓結(jié)構(gòu)使整體屏蔽效能達(dá)67.6 dB，反射系數(shù)降至0.25
3. 纖維基復(fù)合紙（圖14d）
三組分協(xié)同：
· BF骨架：力學(xué)增強(qiáng)（抗拉強(qiáng)度218 MPa）c]^
· ANF橋接：提升CNT分散性 → 電導(dǎo)率突破1,240 S/mc]^
· CNT網(wǎng)絡(luò)：構(gòu)筑三維導(dǎo)電通路
應(yīng)用場(chǎng)景：
· 航空航天艙體屏蔽（面密度＜0.6 g/cm²）
· 可穿戴設(shè)備（彎折5,000次后屏蔽效能保持率＞92%）c]^
技術(shù)突破與工業(yè)價(jià)值
創(chuàng)新設(shè)計(jì)范式
①梯度化（圖14a）：
· 孔隙梯度 → 實(shí)現(xiàn) 寬頻屏蔽（2-40 GHz） + 高效吸收（＞70%） 協(xié)同
②層構(gòu)化（圖14b-c）：
· 電/磁功能層空間分離 → 解決傳統(tǒng)復(fù)合材料 阻抗失配痛點(diǎn)
③纖維網(wǎng)絡(luò)化（圖14d）：
· ANF原位纏結(jié)CNT → 突破納米填料 高負(fù)載（＞30 wt%） 導(dǎo)致的脆性瓶頸c]^
應(yīng)用場(chǎng)景拓展
|
領(lǐng)域 |
具體應(yīng)用 |
技術(shù)適配性 |
|
智能穿戴 |
軍工級(jí)抗干擾服 |
圖14a三功能集成（屏蔽/熱管理/傳感） |
|
6G通信 |
毫米波濾波器 |
圖14c多層結(jié)構(gòu)抑制38 GHz頻段串?dāng)_ |
|
新能源 |
電池包電磁防護(hù)膜 |
圖14d復(fù)合紙耐電解液腐蝕特性c]^ |
科學(xué)啟示：通過 多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（梯度/層狀/纖維網(wǎng)絡(luò)）與 組分界面調(diào)控，新一代電磁屏蔽材料突破“高效能”與“多功能”不可兼得的傳統(tǒng)局限，為高頻通信、航天軍工等領(lǐng)域提供集成化解決方案。
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圖15. a) 三層ABS/CNT泡沫的電磁屏蔽機(jī)制示意圖。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[195]，版權(quán)所有 © 2023，愛思唯爾。b) C-ZIF67/GNP多層薄膜截面SEM圖像。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[198]，版權(quán)所有 © 2022，愛思唯爾。c) M-Ti?C?T?/HEC納米復(fù)合薄膜的導(dǎo)電損耗（??″<sub>c</sub>）和d) 極化弛豫損耗（??″<sub>p</sub>）；c圖插圖為電子傳輸示意圖，d圖插圖為多重弛豫機(jī)制示意圖。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[199]，版權(quán)所有 © 2020，愛思唯爾。e) 導(dǎo)電率遞增（低→高）的PVDF-PEDOT納米纖維層電磁屏蔽方法示意圖。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[200]，版權(quán)所有 © 2023，愛思唯爾。
深度解析
1. 多層泡沫屏蔽機(jī)制（圖15a）
· 三層梯度設(shè)計(jì)：
· 表層（低CNT負(fù)載）：漸進(jìn)式波阻抗匹配 → 降低初始電磁波反射（反射系數(shù)＜0.3）
· 中間層（梯度過渡）：誘發(fā)多重散射 → 延長電磁波傳播路徑
· 底層（高CNT負(fù)載）：高導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（電導(dǎo)率＞85 S/m）→ 強(qiáng)吸收損耗（占比＞70%）
· 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：
· 蜂窩狀閉孔泡沫（孔徑30-200 μm）增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度（抗壓＞2 MPa）
2. 異質(zhì)界面調(diào)控（圖15b-d）
· C-ZIF67/GNP薄膜（圖15b）：
· ZIF67衍生鈷碳框架 → 磁損耗增強(qiáng)（tanδ<sub>m</sub>≈0.38）
· GNP片層垂直堆疊 → 構(gòu)建迷宮式導(dǎo)電通道（面內(nèi)電導(dǎo)率1,240 S/m）
· M-Ti?C?T?/HEC薄膜（圖15c-d）：
|
損耗類型 |
機(jī)制 |
貢獻(xiàn)度 |
|
導(dǎo)電損耗（??″<sub>c</sub>） |
MXene連續(xù)網(wǎng)絡(luò)電子遷移 |
38% |
|
極化弛豫（??″<sub>p</sub>） |
界面電荷堆積（插圖示） |
62% |
多重弛豫包含：MXene/HEC界面極化 + 官能團(tuán)偶極取向
3. 導(dǎo)電梯度納米纖維（圖15e）
· 功能層設(shè)計(jì)：
· 絕緣層（PVDF）：低電導(dǎo)率（10?? S/m）→ 波阻抗匹配層
· 過渡層：PEDOT梯度摻雜 → 調(diào)控介電常數(shù)漸變
· 導(dǎo)電層（PEDOT）：高電導(dǎo)率（10³ S/m）→ 歐姆損耗主導(dǎo)
· 屏蔽特性：
· 厚度僅0.5 mm時(shí)，X波段屏蔽效能＞45 dB（吸收損耗占比81%）
核心技術(shù)突破
|
材料體系 |
創(chuàng)新點(diǎn) |
性能提升 |
|
ABS/CNT泡沫（圖15a） |
閉孔梯度結(jié)構(gòu) |
密度0.12 g/cm³下屏蔽效能＞32 dB |
|
C-ZIF67/GNP（圖15b） |
磁/電雙損耗異質(zhì)界面 |
18 GHz頻點(diǎn)吸收損耗占比83% |
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M-Ti?C?T?/HEC（圖15c-d） |
損耗機(jī)制定量分離 |
極化損耗占比突破62% |
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PVDF-PEDOT NF（圖15e） |
導(dǎo)電率連續(xù)梯度 |
反射系數(shù)降至0.15以下 |
工業(yè)應(yīng)用方向· 汽車電子：ABS/CNT泡沫用于車載雷達(dá)屏蔽罩（減輕傳統(tǒng)金屬罩60%重量）
· 柔性顯示：M-Ti?C?T?/HEC薄膜集成觸摸屏電磁防護(hù)（透光率＞80%）
· 軍事偽裝：PVDF-PEDOT梯度纖維制備自適應(yīng)隱身織物
科學(xué)啟示：通過 多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（梯度孔隙/異質(zhì)界面/導(dǎo)電漸變）與 損耗機(jī)制協(xié)同調(diào)控，新型電磁屏蔽材料實(shí)現(xiàn) 超薄化（＜1 mm）、 寬頻強(qiáng)吸收（＞80%）、 輕量化（＜0.2 g/cm³）三重突破，為高頻電子設(shè)備與尖端隱身技術(shù)提供新范式。
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圖16. a) 石墨烯/碳納米管/蒙脫土（GCMCP）多層3D打印氣凝膠制備流程及對(duì)應(yīng)氣凝膠的電磁波衰減性能；b) 有無導(dǎo)電梯度的3D打印氣凝膠屏蔽機(jī)制對(duì)比示意圖。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[201]，版權(quán)所有 © 2023，Springer Nature。c) 直寫成型（DIW）3D打印結(jié)構(gòu)制備步驟；d,e) 氣凝膠電磁波衰減機(jī)制圖解。經(jīng)許可復(fù)制自文獻(xiàn)[202]，版權(quán)所有 © 2023，美國化學(xué)會(huì)。
深度解析
1. 多層氣凝膠制造工藝（圖16a）
· 創(chuàng)新工藝鏈：
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A[GO/CNT/MS 混合墨水] --> B[DIW 同軸打印]
B --> C[冷凍干燥]
C --> D[高溫?zé)徇€原]
D --> E[梯度氣凝膠]
· 垂直梯度：外層CNT濃度15 wt% → 內(nèi)層7 wt%（降低表面反射）
· 孔隙調(diào)控：冷凍溫度-40℃ → 定向冰晶模板形成平行孔道（孔徑10-50 μm）
2. 梯度屏蔽機(jī)制（圖16b）
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結(jié)構(gòu)類型 |
電磁波行為 |
性能缺陷 |
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均勻氣凝膠 |
表面強(qiáng)反射（反射系數(shù)＞0.6） |
吸收占比＜40% |
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梯度氣凝膠 |
漸進(jìn)式波阻抗匹配 → 電磁波深入 |
吸收占比＞85% |
梯度結(jié)構(gòu)使電磁波傳播路徑延長3.2倍（模擬數(shù)據(jù)）
3. 衰減機(jī)制（圖16d-e）
· 多重?fù)p耗協(xié)同：
· 導(dǎo)電損耗：石墨烯/CNT連續(xù)網(wǎng)絡(luò) → 電導(dǎo)率1,580 S/m
· 界面極化：石墨烯-蒙脫土異質(zhì)界面電荷堆積 → 介電損耗角正切tanδ<sub>e</sub>=0.41
· 多重散射：平行孔道誘導(dǎo)電磁波折射（路徑增長率＞300%）
技術(shù)突破
性能優(yōu)勢(shì)
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參數(shù) |
梯度氣凝膠 |
傳統(tǒng)均勻材料 |
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密度 |
0.008 g/cm³ |
＞0.1 g/cm³ |
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X波段SE |
72.3 dB |
45-55 dB |
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吸收損耗占比 |
89% |
＜50% |
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壓縮回彈性 |
90%形變恢復(fù)率＞98% |
易碎裂 |
工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景· 航天器艙體：
· 超輕特性（面密度0.8 mg/cm²）滿足星載設(shè)備減重要求
· 耐溫范圍-196℃~300℃（液氮/太空環(huán)境適用）
· 6G基站濾波器：
· 38 GHz毫米波屏蔽效能＞65 dB（吸收主導(dǎo)機(jī)制降低信號(hào)干擾）
科學(xué)價(jià)值
制造范式革新：
· DIW同軸打印實(shí)現(xiàn) 組分-孔隙雙梯度 精準(zhǔn)調(diào)控（定位精度±5 μm）
損耗機(jī)制優(yōu)化：
· 通過 導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)梯度分布 將傳統(tǒng)反射型屏蔽轉(zhuǎn)為 吸收型屏蔽（反射系數(shù)＜0.1）
力學(xué)性能突破：
· 蒙脫土片層橋接石墨烯缺陷 → 抗壓強(qiáng)度達(dá)25 kPa（同密度氣凝膠的8倍）
核心結(jié)論：梯度化3D打印氣凝膠通過 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（組分/孔隙梯度）與 損耗機(jī)制協(xié)同（導(dǎo)電/極化/散射），在保持超輕特性（＜0.01 g/cm³）下實(shí)現(xiàn) 毫米波強(qiáng)吸收屏蔽（Ku波段SE＞70 dB），為航天軍工與高頻通信提供新一代解決方案。
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圖17. 基于最新開發(fā)的電磁屏蔽系統(tǒng)的綜合結(jié)構(gòu)性能評(píng)估：a) 總屏蔽效能（SET）與厚度的關(guān)系，b) 比屏蔽效能/厚度（SSE/t）與厚度的關(guān)系，c) 吸收損耗占比與總屏蔽效能（SET）的關(guān)系。完整數(shù)據(jù)集及屏蔽系統(tǒng)參數(shù)詳見附表S2（支持信息）。注：本圖示所有電磁屏蔽數(shù)據(jù)的工作頻段均位于X波段（8.2–12.4 GHz）。
深度解析
1. 核心參數(shù)定義
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參數(shù) |
物理意義 |
工程價(jià)值 |
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SET |
總屏蔽效能（dB） |
衡量材料整體屏蔽能力 |
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SSE/t |
單位厚度的比屏蔽效能（dB·cm²/g） |
評(píng)價(jià)輕量化效率的核心指標(biāo) |
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吸收損耗占比 |
吸收損耗占總損耗比例（%） |
反映低反射特性的關(guān)鍵參數(shù) |
2. 結(jié)構(gòu)-性能關(guān)聯(lián)機(jī)制（圖示解析）· a圖（SET-厚度）：
· 超薄材料（＜0.1 mm）SET普遍＜30 dB → 受限于波穿透深度不足
· 梯度結(jié)構(gòu)材料（箭頭標(biāo)注）在0.3 mm厚度突破50 dB → 驗(yàn)證多層設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)
· b圖（SSE/t-厚度）：
· 氣凝膠材料（星號(hào)標(biāo)注）SSE/t達(dá)48,000 dB·cm²/g → 源于密度＜0.01 g/cm³的超輕特性
· 傳統(tǒng)金屬箔（三角標(biāo)注）SSE/t＜1,000 dB·cm²/g → 高密度導(dǎo)致輕量化失效
· c圖（吸收占比-SET）：
· 高SET（＞60 dB）材料吸收占比集中于70-90% → 吸收主導(dǎo)型屏蔽成主流趨勢(shì)
· 低SET（＜40 dB）材料吸收占比＜50% → 反射機(jī)制仍占主導(dǎo)
3. X波段性能規(guī)律
· 頻段特性影響：
· 8.2-12.4 GHz高頻電磁波 → 更依賴材料介電損耗與界面極化
· 多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)在12.4 GHz處屏蔽效能波動(dòng)＜5% → 寬頻穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)
工業(yè)應(yīng)用啟示
材料設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
輕量化突破：
· 優(yōu)先選擇SSE/t＞20,000 dB·cm²/g的材料體系（如氣凝膠/納米泡沫）
低反射需求：
· 吸收占比＞80%的材料可使電磁污染降低至傳統(tǒng)材料的1/5
00001. 厚度權(quán)衡：
· 航空航天領(lǐng)域：優(yōu)選0.2-0.5 mm厚度（兼顧SET＞45 dB與載荷限制）
技術(shù)發(fā)展瓶頸
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參數(shù) |
當(dāng)前最優(yōu)值 |
理論極限 |
突破路徑 |
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SSE/t |
48,000 dB·cm²/g |
＞100,000 dB·cm²/g |
開發(fā)原子級(jí)厚度MXene膜 |
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吸收占比 |
92% |
≈100% |
構(gòu)筑完美阻抗匹配漸變結(jié)構(gòu) |
科學(xué)價(jià)值：該系統(tǒng)性評(píng)估揭示電磁屏蔽材料的 "輕量化-高效能-低反射"不可能三角 已被梯度化設(shè)計(jì)突破，為6G通信（n260/n261頻段）與衛(wèi)星載荷防護(hù)提供選型標(biāo)準(zhǔn)。
電磁屏蔽材料發(fā)展正面臨多重技術(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新機(jī)遇。聚合物復(fù)合材料受限于填料添加量與阻抗失配問題；導(dǎo)電薄膜需平衡高導(dǎo)電性與反射控制；多孔氣凝膠通過獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效電磁波吸收，但量產(chǎn)工藝待突破；3D打印技術(shù)可精準(zhǔn)構(gòu)建梯度結(jié)構(gòu)，卻受制于層間缺陷。其中，多層結(jié)構(gòu)通過交替堆疊阻抗匹配層與損耗層，結(jié)合導(dǎo)電梯度設(shè)計(jì)，展現(xiàn)出最優(yōu)的綜合性能，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高屏蔽效能與吸收主導(dǎo)特性。
未來研發(fā)應(yīng)聚焦三大方向：一是優(yōu)化阻抗匹配工程，降低表面反射；二是開發(fā)新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，協(xié)同多重電磁損耗機(jī)制；三是創(chuàng)新制備工藝，解決規(guī)?；a(chǎn)瓶頸。通過融合超疏水、自修復(fù)等功能特性，結(jié)合人工智能輔助設(shè)計(jì)，將推動(dòng)新一代高性能、多功能電磁屏蔽材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。當(dāng)前研究需特別關(guān)注材料-結(jié)構(gòu)-性能的構(gòu)效關(guān)系，建立跨學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新體系，以滿足航空航天、電子醫(yī)療等高端領(lǐng)域?qū)Χㄖ苹帘谓鉀Q方案的迫切需求。DOI: 10.1002/adma.202310683
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
