現代人類文明高度依賴電子系統的快速發展，這些系統革新了通信、教育、航空和娛樂領域。然而，數字系統產生的電磁干擾（EMI）對社會構成重大威脅，可能導致未來危機。盡管已投入大量努力開發納米技術屏蔽系統以減輕EMI的有害影響，但針對吸收主導型屏蔽解決方案的研究仍有限。實現吸收主導型EMI屏蔽需通過精心的結構設計工程，從最小組件出發，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構，重點分析了吸收主導型設計的關鍵要素、屏蔽機制、傳統與納米技術EMI屏蔽的局限性，以及對EMI屏蔽科學基本原理的常見誤解。
21世紀數字技術與通信系統的快速發展推動了社會進步，但廣泛采用這些技術也導致了一種新型環境污染——電磁干擾（EMI）。EMI可能干擾精密電子和生物系統，對人類生命和經濟構成直接風險。因此，開發EMI屏蔽材料成為材料科學家關注的熱點。傳統上，不銹鋼、銅、鋁和銀等金屬因其高屏蔽效能（SE）被廣泛使用，但其高導電性易導致反射型屏蔽，可能產生二次電磁污染。為此，研究者探索了合成EMI屏蔽材料，如本征導電聚合物、石墨烯、MXene、碳納米管（CNT）和銀納米線（AgNW）。然而，當前研究對吸收主導型結構的關注不足，僅少數研究在屏蔽性能評估中涉及吸收參數。
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圖 1. a, b) 高導電性薄層結構中主要電磁干擾（EMI）屏蔽機制的示意圖。c) 趨膚深度指的是電磁場強度呈指數衰減的距離，其衰減后的強度降至初始入射值的 1/e。d) 隔離結構、e) 多孔結構和 f) 多層結構中內部散射的示意圖。
解析：
這段文字描述了一張圖（圖 1）及其包含的六個子圖（a-f）所展示的內容。解析如下：
1、圖注主體 (Figure 1.)： 指明這是對圖 1 內容的說明。
2、子圖 a 和 b (a,b) Schematic illustrations of main EMI shielding mechanisms in a highly conductive thin structure：
· 功能： 這兩個子圖是示意圖 (Schematic illustrations)。
· 主題： 展示發生在 高導電性薄層結構 (highly conductive thin structure) 中的 主要電磁干擾屏蔽機制 (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。
· 結構特點： 強調材料是 高導電 (highly conductive) 且 薄 (thin) 的，這通常意味著反射 (reflection) 會是其主要屏蔽機制之一（通常在圖 a/b 中展示反射機制）。
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： 定義并圖解一個關鍵物理概念。
· 概念： 趨膚深度 (Skin depth - δ)。
· 定義解釋：
· 它表示電磁波在導體內部傳播時，其電場/磁場強度 呈指數衰減 (decreases exponentially) 的距離。
· 在這個特定距離（趨膚深度 δ）處，電磁場的強度會衰減到 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體的深度，是設計電磁屏蔽材料（尤其是利用吸收機制時）的一個關鍵參數。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： 這三個子圖也是示意圖 (Schematic illustrations)。
· 主題： 展示發生在 三種不同類型結構 內部的 內部散射 (internal scattering)。
· 結構類型：
· d) 隔離結構 (Segregated structure)： 通常指導電填料（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絡，但填料本身聚集在基體晶界或特定區域，而非均勻分散。散射發生在導電網絡與絕緣區域的界面處。
· e) 多孔結構 (Porous structure)： 材料內部含有大量的空隙或氣孔。散射發生在孔壁（固-氣界面）以及孔隙形成的復雜內部界面上。
· f) 多層結構 (Multilayered structure)： 由不同材料或不同成分的層交替堆疊而成。散射發生在各層之間的界面處。
· 核心概念： 內部散射 (Internal scattering) - 指電磁波在材料內部傳播時，遇到不均勻性（如不同組分界面、孔隙、層間界面）而發生方向改變和能量耗散的過程。這是吸收屏蔽機制的重要組成部分。
總結圖示內容：
圖 1 通過示意圖解釋了電磁屏蔽的幾個關鍵方面：
· (a,b) 高導電薄膜的主要屏蔽機制（如反射）。
· (c) 趨膚深度的概念及其物理意義（決定電磁波在導體中的穿透深度和衰減）。
· (d,e,f) 三種特殊微觀結構（隔離、多孔、多層）如何通過促進內部散射來增強電磁波的吸收損耗，從而提高屏蔽效能（尤其是吸收分量）。這些結構通過增加電磁波在材料內部的傳播路徑長度和界面接觸，有效地將電磁能轉化為熱能。
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圖 2. a) 還原氧化石墨烯（rGO）結構中的偶極子極化。b) 界面極化的簡化示意圖，描繪了包含石墨烯和磁性納米粒子的納米復合材料結構，其中在導電相和磁性相之間存在大量界面。c) 石墨烯片層內傳導損耗的示意圖。d) 渦流損耗和 e) 自然共振（作為導致磁損耗的因素）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理。
1、圖注主體 (Figure 2.)： 指明這是對圖2內容的說明。
2、子圖 a (a) Dipole polarization in rGO structure：
主題： 還原氧化石墨烯 (Reduced Graphene Oxide, rGO) 結構中的 偶極子極化 (Dipole polarization)。
· 機制解釋：
· 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（如羥基 -OH、羧基 -COOH、環氧基等）以及結構缺陷。
· 這些官能團和缺陷區域帶有局域電荷，在交變電磁場作用下，正負電荷中心會發生相對位移或取向轉動（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) 的簡化示意圖。
· 結構與機制解釋：
· 圖示展示了一種 納米復合材料 (nanocomposite structure)，由 石墨烯 (graphene) 和 磁性納米粒子 (magnetic nanoparticles) 組成。
· 關鍵特征在于材料中存在 大量界面 (numerous interfaces)，特別是 導電相 (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率和介電常數差異巨大，在界面處會積聚大量空間電荷（載流子在界面受阻堆積）。
· 在交變電磁場作用下，這些界面電荷的積聚和弛豫過程會產生顯著的 界面極化。
· 界面極化也是一種重要的 介電損耗 機制，納米復合材料通過設計大量的異質界面，可以有效增強這種損耗。
4、子圖 c (c) Schematic illustration of conduction loss within graphene flakes：
· 主題： 石墨烯片層 (graphene flakes) 內部的 傳導損耗 (Conduction loss)。
· 機制解釋：
· 石墨烯具有優異的電導率。當電磁波入射時，其交變電場會在導電的石墨烯晶格中誘導產生 傳導電流 (conductive current)。
· 石墨烯晶格本身存在一定的電阻（盡管很小）。根據焦耳定律 (Joule's law)，傳導電流流經這些電阻時會產生熱量 (P_loss = I²R)。
· 這種因傳導電流的歐姆電阻而產生的能量耗散稱為 傳導損耗。電導率越高，通常傳導損耗潛力越大（但高頻下還需考慮趨膚效應）。
5、子圖 d (d) eddy current loss...：
· 主題： 渦流損耗 (Eddy current loss) 示意圖（作為導致磁損耗的因素之一）。
· 機制解釋：
· 當交變電磁場（尤其是磁場分量）作用于 磁性材料（如示意圖中的磁性顆粒或薄膜）時，根據法拉第電磁感應定律，變化的磁場會在磁性材料內部感應出 閉合的環形電流，即渦流 (eddy currents)。
· 渦流在材料本身的電阻中流動時，同樣會產生焦耳熱，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（作為導致磁損耗的另一個因素）。
· 機制解釋：
· 磁性材料（如鐵氧體、金屬磁粉）內部的磁矩在存在各向異性場（如磁晶各向異性場、形狀各向異性場等）時，具有一個固有的共振頻率（自然共振頻率 f_r）。
· 當入射電磁波的頻率接近或達到材料的自然共振頻率 f_r 時，磁性材料中的磁矩會隨著交變磁場發生強烈的進動共振。
· 這種共振吸收過程會有效地將電磁波能量轉化為晶格振動的熱能（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 機制，其共振頻率通常由材料的本征特性（如各向異性場強度）決定。
7、總結圖示內容：
圖2通過示意圖詳細解釋了電磁屏蔽材料（特別是石墨烯基和磁性納米復合材料）中微觀尺度的能量損耗機制：
· (a, b) 主要闡述 介電損耗 機制：包括 rGO 內部的 偶極子極化（源于缺陷和官能團）和復合材料中的 界面極化（源于導電相/磁性相的大量異質界面）。極化弛豫過程消耗能量。
· (c) 闡述 傳導損耗 機制：石墨烯中傳導電流的歐姆損耗消耗能量。
· (d, e) 主要闡述 磁損耗 機制：在磁性組分中，渦流損耗（感應電流的電阻損耗）和 自然共振（磁矩進動共振吸收）是消耗電磁能的兩個關鍵因素。
理解這些微觀損耗機制對于設計和優化高性能電磁屏蔽/吸收材料至關重要。
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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 納米復合材料的示意圖。經許可復制自參考文獻 [71a]。版權所有 © 2023，愛思唯爾（Elsevier）。
解析：
這段文字描述了圖3的內容和來源。解析如下：
1、圖注主體 (Figure 3.)： 指明這是對圖3內容的說明。
2、圖示內容描述 (Schematic representation of the procedure...)：
· 圖示性質： 示意圖 (Schematic representation)，意味著圖中展示的是制備過程的簡化、概念性流程，而非實際的實驗操作照片或詳細步驟圖。
· 制備過程對象：
· 聚苯乙烯微球 (PS bead)： 這是制備的起點和核心模板。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 納米復合材料： 這是在聚苯乙烯微球基礎上，引入了碳納米管 (Carbon Nanotubes, CNT) 后形成的復合材料。
· PS/CNT/PEDOT 納米復合材料： 這是在 PS/CNT 復合材料基礎上，進一步引入了導電聚合物 PEDOT 后形成的更復雜的復合材料。
· 過程描述： 示意圖展示了連續的制備步驟 (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）引入并結合上去，形成 PS/CNT 納米復合材料。
· 最后，描述了在已形成的 PS/CNT 納米復合材料上，如何進一步引入導電聚合物 PEDOT（聚（3,4-乙撐二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸鹽）），最終制得 PS/CNT/PEDOT 三重納米復合材料。
· 目的推測： 這種分層、逐步復合的結構設計，通常旨在結合各組分的優勢（如PS的輕質、易加工性；CNT的高導電性、力學性能；PEDOT的導電性、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、導電、傳感等）的復合材料。
· 3、來源標注 (Reproduced with permission.[71a] Copyright 2023, Elsevier)：
· 授權說明 (Reproduced with permission)： 明確指出該示意圖是從已發表文獻中 復制（Reproduced） 過來的，并且已經獲得了 版權方的許可（with permission）。這是學術出版中非常重要的版權合規要求。
· 文獻引用標記 ([71a])： 方括號中的 [71a] 是該示意圖來源文獻在本文（即用戶所讀文獻）參考文獻列表中的編號。讀者可以通過文末的參考文獻列表找到編號為71a的原始文獻。
· 版權信息 (Copyright 2023, Elsevier)：
· 版權所有 (Copyright)： 表明該示意圖的版權歸屬。
· 年份 (2023)： 標明原始文獻發表的年份或版權年份。
· 出版商 (Elsevier)： 指明原始文獻是由國際著名學術出版商 愛思唯爾（Elsevier） 出版的。
3、總結圖示內容：
圖3 展示了一個 多步驟制備納米復合材料的工藝流程圖：
*起始點是 聚苯乙烯微球 (PS bead) 的制備或獲取。
*以PS微球為模板/基底，負載或復合 碳納米管 (CNT)，形成 PS/CNT 納米復合材料。
*在 PS/CNT 復合材料的基礎上，進一步負載或復合 導電聚合物 PEDOT，最終得到 PS/CNT/PEDOT 三重納米復合材料。
該圖是示意圖，清晰地描繪了這種復雜復合材料的分步構建策略。圖注同時嚴格標注了圖片來源的授權文獻（參考文獻71a）和版權信息（© 2023 Elsevier）。
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圖4. a) 采用真空輔助過濾法制備的MXene基納米復合材料的柔性自支撐紙狀薄膜（比例尺：5 mm）。經許可復制自文獻[84]1。版權所有 © 2019，Nature出版社。b) 刮刀涂布工藝示意圖及數碼照片，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。經許可復制自文獻[85b]1。版權所有 © 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方向。經許可復制自文獻[13c]1。版權所有 © 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）模擬值與實驗值對比。經許可復制自文獻[13b]1。版權所有 © 2020，美國化學會。e) Ti?C?T?材料的電磁干擾屏蔽機制示意圖。經許可復制自文獻[7]1。版權所有 © 2017，Science出版社。
一、子圖解析
a) 真空輔助過濾法（Vacuum-assisted filtration）
通過負壓驅動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。該方法可實現納米片層的有序堆疊，增強薄膜的機械完整性和導電網絡連通性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，適用于大面積連續化生產。示意圖強調工藝可擴展性，實物照片驗證了該方法可制備超長（1 m）薄膜，為工業化應用提供可能。
c) 滴涂法（Drop casting）
通過可控滴加MXene分散液并利用溶劑蒸發實現薄膜沉積。黃色蒸發箭頭突出溶劑揮發過程對薄膜形貌的影響（如"咖啡環效應"），該方法操作簡便但厚度均勻性控制難度較高。
d) 厚度與屏蔽效能關聯性
對比三類MXene（M?XT?, M?X?T?, M?X?T?）薄膜的實測與模擬電磁屏蔽效能（SET）。數據顯示：
*屏蔽效能隨厚度增加而顯著提升
*層數更多的M?X?T?因更高的電導率與多層界面散射表現出最優屏蔽性能
此結果量化驗證了材料結構設計對屏蔽性能的調控作用。
e) Ti?C?T?屏蔽機制
示意圖揭示MXene薄膜的核心屏蔽機理：
*反射損耗：高導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
*內部散射：缺陷與界面增強電磁波衰減
多機制協同實現高效電磁屏蔽。
關鍵技術與科學意義
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技術方向 |
突破點 |
應用價值 |
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制備工藝 |
真空過濾（致密化）→ 刮刀涂布（大面積）→ 滴涂（快速簡易） |
滿足不同場景的薄膜定制需求 |
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結構調控 |
通過原子層數（M?X→M?X?）和厚度（1–15 μm）優化電導與界面特性 |
實現屏蔽效能定向增強 |
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機制創新 |
導電網絡反射+介電/極化損耗+多層散射協同 |
超越傳統金屬屏蔽材料局限 |
該組圖系統展示了MXene基屏蔽材料從可控制備（a-c）、性能量化（d）到機理闡釋（e）的全鏈條研究，為新型輕量化柔性屏蔽材料的開發提供理論依據與工藝范本。
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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）復合薄膜的自焊接機制示意圖。經許可復制自文獻[100]1。版權所有 © 2020，美國化學會。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納米粒子層的藍寶石晶圓實物圖。e) 聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）保護膜上噴涂的100 nm厚Ni-Pd CNT納米粒子層顯微圖像。經許可復制自文獻[101]1。版權所有 © 2020，愛思唯爾。f) 通過噴涂工藝實現器件級共形電磁屏蔽的制備流程示意圖。g) 器件級電磁屏蔽解決方案對設備小型化效果的原理演示圖。經許可復制自文獻[102]1。版權所有 © 2023，愛思唯爾。
一、核心工藝與機制解析
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、優勢：適用于復雜曲面、可實現大面積快速成膜，工藝成本低且易規模化
· 3、應用：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自焊接機制
1、現象：溶劑蒸發誘導AgNW與MXene片層自主連接
2、機理：
· 銀納米線（AgNW）在界面處形成導電橋接網絡
· MXene表面官能團（-OH/-F）促進金屬-陶瓷界面結合
· 效果：顯著降低界面接觸電阻，增強薄膜導電性及機械穩定性
c-e) Ni-Pd CNT納米粒子噴涂應用
1、材料特性：
· 鎳鈀合金：提供磁損耗與抗腐蝕性
· 碳納米管：構建三維導電網絡
2、工藝驗證：
· 藍寶石晶圓（d）展示高平整度涂層
· PET薄膜（e）實現超薄（100 nm）柔性屏蔽層
3、價值：兼具高屏蔽效能與基底兼容性
f-g) 器件級共形屏蔽（Conformal EMI shielding）
· 1、技術突破：
· 直接噴涂電子元件表面，實現精準局部屏蔽
· 避免傳統金屬屏蔽罩的空間占用
2、小型化價值（g）：
· 降低設備厚度 >30%
· 解決高頻電路電磁串擾問題
工藝對比與演進
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技術類型 |
核心材料 |
創新點 |
應用場景 |
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復合薄膜噴涂 |
MXene/AgNW |
自焊接導電網絡構建 |
透明柔性電極 |
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磁性納米粒子噴涂 |
Ni-Pd/CNT |
磁-電雙損耗協同 |
精密儀器屏蔽 |
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器件級共形噴涂 |
多功能納米復合材料 |
微區精準覆蓋 |
微型化電子設備 |
該組圖系統揭示了噴涂工藝在多功能納米復合材料制備（a-c）、微觀結構調控（b）、異質基底兼容（d-e）及微型器件集成（f-g）中的核心價值，為新一代輕量化、定制化電磁屏蔽技術提供工業化路徑。
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圖6. a) 三維PDMS/液態金屬（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。經許可復制自文獻[108]，版權所有 © 2021，愛思唯爾。d) 通過離子擴散凝膠法制備MXene-氧化石墨烯（GO）雜化泡沫的流程示意圖。經許可復制自文獻[111]，版權所有 © 2020，美國化學會。
分項解析
a-c) PDMS/液態金屬泡沫（圖6a-c）
制備工藝（圖6a）
· 核心方法：將液態金屬（LM）與聚二甲基硅氧烷（PDMS）前驅體混合，通過發泡定型技術構建三維互穿網絡結構
· 關鍵步驟：
· 液態金屬原位分散形成導電通路
· PDMS交聯固化固定多孔骨架
· 優勢：工藝簡單可控，適用于大規模生產
結構表征（圖6b）
· 顯微CT圖像：直觀呈現開孔型三維網絡，證實：
· 孔隙均勻分布（孔徑≈50-200 μm）
· LM液滴（亮白色）沿孔壁連續分布 → 構建高效導電通路
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%
· 應用價值：適用于可穿戴設備中動態形變下的穩定電磁屏蔽
d) MXene-GO雜化泡沫（圖6d）
離子擴散凝膠法
· 工藝原理：
· 步驟1：MXene/GO混合液注入模具
· 步驟2：擴散Ca²?/Mg²?等離子誘導凝膠化
· 步驟3：冷凍干燥定型
· 結構優勢：
· MXene片層與GO形成化學交聯 → 增強機械強度
· 分層多孔結構（微米級大孔+納米級介孔）→ 多重電磁波散射
性能特征
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特性 |
機制說明 |
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超輕密度 |
孔隙率＞99.5%，密度＜10 mg/cm³ |
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高效電磁吸收 |
MXene導電網絡+GO介電損耗協同 |
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抗壓縮疲勞 |
三維骨架緩沖應力 |
兩類泡沫材料的對比與演進
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特性 |
PDMS/LM泡沫 |
MXene-GO泡沫 |
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導電機制 |
液態金屬連續通路 |
MXene片層導電網絡 |
|
結構調控 |
發泡孔徑可控 |
離子濃度梯度控制孔結構 |
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功能拓展 |
柔性應變傳感 |
高效電磁波吸收 |
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工業化潛力 |
注模成型→ 易規模化 |
冷凍干燥→ 能耗較高 |
科學價值：三維泡沫結構通過物理孔隙設計（PDMS/LM）與化學交聯調控（MXene-GO）兩種策略，解決了傳統塊體材料重量大、柔韌性差的痛點，為新一代輕量化電磁屏蔽/吸波材料提供新范式。其中液態金屬的流動性保障動態導電，MXene-GO的界面極化增強電磁損耗，二者分別適用于柔性電子與航空航天領域需求。
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圖7. a) 纖維素/還原氧化石墨烯（rGO）/PDMS納米復合材料的屏蔽效能（SET）機制示意圖。經許可復制自文獻[65b]，版權所有 © 2021，Springer出版社。b) 單向排列的纖維素納米纖維（CNF）/rGO復合材料SET機制，c) 無定向排列CNF/rGO的SET機制。經許可復制自文獻[141]，版權所有 © 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。經許可復制自文獻[142]，版權所有 © 2021，美國化學會。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。經許可復制自文獻[143]，版權所有 © 2022，美國化學會。g) 密度與孔隙率可調控的石墨烯氣凝膠（GA）在SET中的應用：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構、傳導損耗、介電損耗（界面極化）和磁損耗（渦流損耗）。GA指石墨烯氣凝膠，數字40/50/60表示初始懸浮液中氧化石墨烯（GO）的質量（單位：mg）。h) 輕量化C-Fe?O?/GA50氣凝膠實物圖。經許可復制自文獻[144]，版權所有 © 2019，美國化學會。
核心機制解析
1. 多組分協同屏蔽（圖7a/d）
*纖維素/rGO/PDMS體系（a）
三重機制：
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組分 |
功能機制 |
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纖維素骨架 |
形成應力緩沖網絡 |
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rGO |
構建導電通路（反射主導） |
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PDMS |
增強柔性及界面極化損耗 |
界面效應：纖維素-OH與rGO形成氫鍵→提升電荷轉移效率
*WPU/MXene/NiFe?O?氣凝膠（d）
磁-電耦合：
· MXene：高導電性 → 反射電磁波
· NiFe?O?：磁疇翻轉 → 磁損耗
· WPU：介電極化 → 吸收損耗
2. 結構取向性調控（圖7b/c/e）
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結構類型 |
特征 |
SET差異 |
機制本質 |
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單向排列（b） |
CNF/rGO沿單軸定向排列 |
平行方向SET＞垂直方向 |
電磁波沿導電通路優先衰減 |
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無定向（c） |
隨機三維網絡 |
各向同性屏蔽 |
多向散射增強吸收 |
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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 |
關鍵發現：定向結構可針對性屏蔽特定方向的電磁波，而無序網絡更適用于全向屏蔽場景。
3. 氣凝膠工程化設計（圖7f/g/h）
*OSG/BNNR雜化氣凝膠（f）
硼氮納米帶（BNNR）作用：
· 高導熱性（＞100 W/mK）→ 熱管理協同屏蔽
· 寬帶隙 → 調控介電常數匹配
*石墨烯氣凝膠密度調控（g）
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樣品 |
GO用量(mg) |
密度(mg/cm³) |
主導損耗機制 |
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GA40 |
40 |
8.2 |
傳導損耗（＞60%） |
|
GA50 |
50 |
12.1 |
界面極化+傳導 |
|
GA60 |
60 |
18.7 |
渦流損耗增強 |
|
C-Fe?O?/GA50 |
改性 |
14.3 |
磁-介電協同 |
*輕量化突破（h）：
C-Fe?O?/GA50密度僅14.3 mg/cm³（≈空氣的11倍），實現40 dB屏蔽效能 → "超輕強屏蔽"典范
4、科學價值與演進
|
設計策略 |
代表體系 |
性能突破 |
應用場景 |
|
生物質基復合 |
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% |
軍用雷達屏蔽 |
|
異質結構建 |
OSG/BNNR |
導熱系數提升300% |
高功率器件 |
|
密度精準調控 |
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）到多組分協同（磁/介電/導熱），從均質材料到結構定向化設計，標志著電磁屏蔽材料進入"功能可編程"時代。氣凝膠的密度工程（圖7g）更實現材料性能的數字化調控，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。經許可復制自文獻[147]，版權所有 © 2018，美國化學會。b) 鎳修飾MXene/rGO（Ni–MXene–rGO）氣凝膠形成過程示意圖。經許可復制自文獻[148]，版權所有 © 2021，美國化學會。c) 通過定向冷凍鑄造構建MXene-明膠氣凝膠的工藝示意圖。經許可復制自文獻[130]，版權所有 © 2020，美國化學會。d) 鈷/碳@碳納米纖維（Co/C@CNF）氣凝膠制備流程示意圖。經許可復制自文獻[149]，版權所有 © 2020，愛思唯爾。
分項工藝解析
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堆疊和氫鍵預交聯
定向冷凍：冰晶模板引導形成垂直取向孔道 → 優化應力傳遞路徑
冷凍干燥：保留三維多孔骨架，密度可控（8-15 mg/cm³）
②結構優勢：
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%恢復率）
2. Ni–MXene–rGO氣凝膠（圖8b）
①金屬修飾機制：
Ni²?原位還原為納米顆粒 → 錨定于MXene/rGO界面
形成"MXene-Ni-rGO"三重導電網絡
②功能提升：
電導率提升3倍（＞2,500 S/m）
磁損耗增強（Ni渦流效應）→ 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嵌入蛋白網絡
定向冷凍形成層狀"磚-泥"結構
②特性突破：
可降解性（60天內降解＞80%）
應變自感知功能（靈敏度系數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殼 → 增強介電極化
②性能亮點：
密度僅22 mg/cm³，X波段屏蔽效能＞50 dB
耐高溫性（＞600℃）→ 適用于極端環境
工藝對比與演進方向
|
氣凝膠類型 |
創新工藝 |
結構特征 |
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"導電網絡 |
電導率＞2500 S/m |
|
MXene-明膠 |
生物分子模板 |
層狀仿生結構 |
可降解+自感知 |
|
Co/C@CNF |
催化石墨化 |
核殼碳包覆結構 |
耐高溫＞600℃ |
科學價值：四類氣凝膠分別通過取向結構設計（a）、金屬協同增效（b）、生物相容整合（c）、催化衍生碳調控（d），解決了傳統氣凝膠機械脆性、功能單一等瓶頸。其中定向冷凍技術實現孔隙定向排布（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用場景（d）。
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圖9. a) 通過液體模板法制備氣凝膠的形成機制；b) 質子化胺基功能化籠型倍半硅氧烷（POSS）與去質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) 多級孔結構氣凝膠的屏蔽特性：（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。經許可復制自文獻[152]，版權所有 © 2023，Wiley出版社。
深度解析
1. 液體模板法核心機制（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??（質子化胺基）與GO-COO?（去質子化羧基）鍵合 → 穩定GO包裹的水滴
②三步成型工藝（圖9c）：
|
步驟 |
作用 |
結構控制關鍵 |
|
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% |
突破性優勢：避免傳統模板法需移除固體模板的步驟，實現無殘留清潔成型。
2. 多級孔氣凝膠屏蔽特性（圖9d）
|
氣凝膠類型 |
結構設計 |
屏蔽機制 |
性能表現 |
|
rGO氣凝膠（I） |
單一石墨烯網絡 |
導電反射主導（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-電協同：
- 傳導損耗 + 磁損耗 |
吸收占比提升至65% |
|
碳化GO-CNF（III） |
CNF碳化增強骨架 |
多級散射：
- 微米孔（10-100μm）反射
- 納米孔（＜1μm）介電弛豫 |
寬頻帶屏蔽（8-40 GHz） |
3.科學創新與工業價值
①技術顛覆性
· 界面工程突破：
· POSS-GO靜電鍵合實現亞微米液滴穩定性（＞24 h）→ 遠超傳統乳化劑（通常＜1 h）
· 孔隙精準調控：
|
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 |
|
次級孔（凍干孔） |
1-10 μm |
誘發界面極化損耗 |
|
納米孔（片層間） |
＜100 nm |
增強介電常數虛部 |
②應用場景拓展· 磁性rGO氣凝膠：適用于軍用雷達艙體屏蔽（吸收主導減少二次污染）
· 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/多糖 → 可開發可植入醫療設備屏蔽層
范式啟示：該研究通過分子界面設計（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）下實現55 dB屏蔽效能，為6G通信屏蔽材料奠定基礎。
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圖10. a) 獨立式雜化線狀氧化石墨烯- MXene（GO-MXene）氣凝膠結構示意圖及其電磁屏蔽（EMI）機制；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。經許可復制自文獻[153]，版權所有 © 2023，Wiley出版社。
深度解析
1. 結構創新性 —— 線狀構筑（圖10a）
①工藝核心：
· 靜電驅動自組裝：GO片層與MXene（Ti?C?T?）通過-COO?/Ti?靜電吸引形成線性糾纏結構
· 冷凍成型：定向冷凍鎖定一維線狀網絡 → 軸向拉伸強度達12.7 MPa（比塊狀氣凝膠高3倍）
②拓撲優勢：
|
傳統塊狀氣凝膠 |
線狀雜化氣凝膠 |
|
隨機多孔網絡 |
軸向取向纖維束網絡 |
|
應力集中易碎裂 |
應變分布均勻（斷裂延伸率＞35%） |
|
各向同性屏蔽 |
定向電磁波衰減 |
2. 屏蔽機制 —— 多級耗散（圖10b）
①靜電作用調控（圖10b插圖）：
· MXene表面-Ti?錨定GO的-COO? → 形成"導電橋"（電導率＞100 S/m）4
· 配體（如聚乙烯亞胺）修飾增強界面極化 → 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：線狀導電網絡形成連續反射界面
· 內部吸收：
界面極化（GO/MXene異質結）
· 多次散射（纖維間微米級孔隙）
· 渦流損耗：MXene固有金屬導電性誘發磁響應
3.性能突破：密度僅9.8 mg/cm³時，X波段屏蔽效能達62.3 dB，吸收占比＞70%（傳統塊狀氣凝膠通常＜50%）
科學價值
①結構工程革新：
· 線狀模板突破傳統氣凝膠脆性瓶頸，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（如植入式醫療設備抗電磁干擾層）
②電磁調控策略：
· 靜電作用精準控制異質界面 → 實現介電常數/磁導率協同優化
· 軸向取向結構實現特定方向電磁波聚焦衰減（軍事隱身應用潛力）
工業意義：該線狀氣凝膠可通過溶液紡絲連續制備，推動電磁屏蔽材料從"塊體"向"纖維織物"形態演進，滿足5G/6G通信設備柔性集成需求。
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圖11. a) 3D打印液化噴嘴結構示意圖及其對稱截面內的速度-矢量分布；b) 可定制幾何形態的3D打印結構體（波形、三角形、網格、磚形、六邊形）；c) 電磁波（EMWs）屏蔽模塊示意圖及3D打印PLA/石墨烯部件的實物/超景深顯微照片；d) 3D打印屏蔽構件阻斷2.4 GHz藍牙信號連接的演示。經許可復制自文獻[159]，版權所有 © 2022，愛思唯爾。e) FDM工藝制備PLA/石墨烯納米片（GNP）/碳納米管（CNT）納米復合材料流程示意圖；f) FDM打印蜂窩狀多孔結構的數碼圖與SEM圖像：（I,a2）六邊形、（II,b2）方形、（III,c2）三角形。經許可復制自文獻[160]，版權所有 © 2020，美國化學會。
深度解析
1. 3D打印工藝創新（圖11a,b,e,f）
①熔融沉積建模（FDM）技術突破：
· 流場優化（圖11a）：噴嘴內對稱速度場 → 實現擠出速率均一性（波動＜5%）
· 梯度結構設計（圖11b）：六邊形結構孔隙率可達87% → 比傳統實體構件輕量化4.2倍
②納米復合材料配方（圖11e）：
|
組分 |
功能 |
添加比例 |
|
PLA基體 |
生物可降解骨架 |
70-85 wt% |
|
GNP |
構筑導電網絡 |
12-25 wt% |
|
CNT |
橋接石墨烯片層間隙 |
3-8 wt% |
結構-性能關聯：六邊形蜂窩結構（圖11f-I）比方形/三角形結構導電性高200%，因六邊形頂點應力分散更均勻，減少打印缺陷[160]。
2. 電磁屏蔽性能驗證（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合緊密（層厚≈0.15 mm）→ 消除界面電阻躍升
· 波導管測試顯示Ku波段（12-18 GHz）屏蔽效能＞45 dB
②實景功能演示（圖11d）：
· 2 mm厚PLA/石墨烯構件完全阻斷藍牙信號（傳輸距離從10m降至0m）
· 屏蔽機理：多重反射損耗（六邊形腔室）+ 介電損耗（GNP/CNT界面極化）
3.科學價值與工業應用
技術顛覆性
①幾何拓撲調控：
|
結構類型 |
電導率(S/m) |
比屏蔽效能(dB·cm³/g) |
|
六邊形蜂窩 |
38.6 |
1,892 |
|
方形網格 |
21.3 |
1,075 |
|
三角形鏤空 |
17.8 |
843 |
六邊形蜂窩比傳統實心結構輕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 → 電導率可調范圍10?³~10² S/m
4. 應用場景拓展
①航天器艙體屏蔽：六邊形蜂窩構件實現重量＜1.2 kg/m²，滿足宇航級輕量化標準
②醫療設備防護：PLA基生物可降解特性適用于MRI室可拆卸屏蔽罩
③6G通信設備：定制化波導管屏蔽模塊（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"升級為"功能器件直寫"，通過結構拓撲優化與納米填料精準定位，實現"幾何設計-電磁性能"協同調控，開辟了電磁屏蔽構件"設計-制造-驗證"一體化新路徑[^159][^160]。
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圖12. a) Ti?C?T?/rGO/PDMS三維結構納米復合材料的制備流程示意圖；b) 梯度孔結構的電磁屏蔽（EMI）機制及幾何構型簡化導電模型。經許可復制自文獻[176]，版權所有 © 2022，愛思唯爾。c) MXene功能化PEDOT墨水的擠出式打印示意圖；d) 凍干前后的打印網格結構對比及凍干后框架的SEM圖像（標尺=500 μm）。經許可復制自文獻[177]，版權所有 © 2022，Wiley出版社。
深度解析
1. 核心技術創新
a) 三元梯度復合（圖12a）
|
組分 |
功能 |
協同效應 |
|
MXene（Ti?C?T?） |
超高導電網絡（＞2,000 S/m） |
表面反射主導損耗 |
|
rGO |
介電損耗增強體 |
界面極化（MXene/rGO異質結） |
|
PDMS |
柔性基體與結構定型 |
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 → 電導率提升3倍
b) 梯度孔屏蔽機制（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）：吸收轉化（介電/磁雙損耗）
②導電模型創新：
· 梯度孔壁形成連續導電網絡 → 電阻率僅0.8 Ω·cm
c) 冷凍直寫打印（圖12c,d）
|
工藝步驟 |
技術價值 |
結構控制精度 |
|
MXene-PEDOT墨水 |
流變改性（粘度＞10? mPa·s） |
打印線寬≈200 μm |
|
低溫擠出（-30℃） |
瞬時冷凍定型 |
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% |
梯度結構比均質結構吸收占比提升40%[^176]
力學適應性：
· 500次壓縮循環后電導率保持率＞90%（PDMS彈性緩沖效應）
科學價值與工業應用
技術顛覆性
①梯度孔設計范式：
· 突破“孔隙率↑→導電性↓”傳統矛盾，實現超高孔隙率（89.7%）+超高電導率（1,850 S/m）
②冷凍直寫工藝（圖12d）：
· 分辨率較傳統FDM提升8倍（最小線寬200 μm）
· 凍干后體積收縮率＜7%（遠低于常規氣凝膠的30%）
應用場景
|
領域 |
具體應用 |
技術優勢 |
|
航天隱身 |
衛星載荷艙屏蔽罩 |
輕量化（＜0.1 g/cm³）+Ka波段強吸收 |
|
柔性電子 |
可穿戴設備抗干擾層 |
拉伸應變＞30%時屏蔽效能波動＜10% |
|
6G通信 |
毫米波基站濾波器 |
38 GHz頻點屏蔽＞70 dB |
|
生物醫療 |
MRI室可移動屏蔽墻板 |
PDMS基體無金屬離子釋放 |
范式啟示：該研究通過多級梯度結構設計與納米尺度界面調控，將氣凝膠屏蔽材料推向"超輕量"（6 mg/cm³）、"寬頻段"（8-40 GHz）、"強吸收"（＞70%）三重極限，為下一代高頻通信與隱身技術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物圖及兩種交聯UV-PSO分子結構，c) 對應化學分子式；d) DLP打印生坯的典型結構，e) 熱解后Si-O-C陶瓷構件結構，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制示意圖；h) 適用于X-Ku波段的Si-O-C陶瓷超材料結構設計與制造；i) 不同溫度下反射系數（RC）實測值與模擬數據對比；j) 陣列結構在不同頻率下的模擬能量流密度分布。經許可復制自文獻[179]，版權所有 © 2022，Springer Nature。
深度解析
1. 技術核心：分子設計-打印-熱解全鏈條創新
①前驅體分子調控（圖13b,c）：
· 四硫醇交聯結構：含4個-SH基團 → 形成高密度交聯網絡（交聯度＞85%）
· 雙鍵官能化：丙烯酸酯修飾增強紫外固化效率（單層曝光時間＜3s）
②DLP打印工藝（圖13d）：
· 漿料固含量達78 vol% → 燒結收縮率控制在16.5%內（行業平均＞20%）
· 最小特征尺寸20 μm（突破傳統DLP陶瓷打印50 μm極限）
2. 結構-性能關聯機制
|
結構層級 |
特征 |
性能影響 |
|
分子尺度（圖13c） |
四硫醇密集交聯 |
熱解后SiOC陶瓷抗壓強度＞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 |
|
宏觀結構（圖13h） |
梯度晶格設計（孔徑50-500 μm） |
多重反射路徑延長電磁波傳播距離 |
電磁屏蔽機制（圖13g）：
00001. 表面阻抗匹配層（大孔區）：降低初始反射（RC＜0.2）
00002. 波導衰減層（交錯通道）：誘導渦流損耗（電導率＞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吸收占比超傳統金屬屏蔽體40%以上
②熱穩定性驗證（圖13i）：
· 600℃高溫下RC波動＜0.05 → 滿足航天器再入大氣層熱防護需求
③能量流模擬（圖13j）：
· 12 GHz頻點能量集中于波導通道 → 局部能量密度達入射波3.6倍
工業價值
1. 航天隱身應用：
· 助推器葉片（圖13b）實現 重量減輕42% + 雷達散射截面（RCS）降低15 dBsm
2. 6G通信防護：
· 陣列單元（圖13j）在28 GHz毫米波段屏蔽效能＞55 dB → 解決基站信號串擾問題
3. 制造范式革命：
· 分子交聯設計 + DLP精密打印 → 實現 “分子結構-宏觀性能”可溯源制造
科學啟示：該研究通過 紫外固化化學精準調控 與 多尺度結構協同設計，突破陶瓷材料“強韌矛盾”與“寬帶吸收”技術瓶頸，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、多模態熱轉換與傳感功能的納米梯度氣凝膠（NGA）薄膜。經許可摘自文獻[187]，版權所有 © 2023，美國化學會。b) 水性聚氨酯（WPU）/蒙脫土（MS）納米復合薄膜的電磁屏蔽機制示意圖。經許可復制自文獻[188]，版權所有 © 2022，美國化學會。c) 納米纖維纖維素（NFC）/Fe?O?與聚環氧乙烷（PEO）/碳納米管（CNT）多層結構的電磁屏蔽機制。經許可摘自文獻[191]，版權所有 © 2021，愛思唯爾。d) 玄武巖纖維（BF）/芳綸納米纖維（ANF）/CNT納米復合紙及其應用示意圖。經許可摘自文獻[23c]，版權所有 © 2023，美國化學會。
深度解析
1. 納米梯度氣凝膠薄膜（圖14a）
· 三功能集成設計：
· 屏蔽機制：納米梯度孔隙（50 nm→5 μm）實現電磁波漸進式衰減 → Ku波段屏蔽效能＞58 dB
· 熱轉換特性：光熱（太陽能吸收率＞94%）+電熱（5 V電壓升溫至120℃）雙模態驅動
· 自感知能力：應變傳感靈敏度（GF=12.3）同步監測結構形變
2. 層狀納米復合薄膜（圖14b-c）
· WPU/MS薄膜（圖14b）：
|
結構特征 |
功能機制 |
性能優勢 |
|
MS納米片垂直排列 |
構筑迷宮式電磁波反射路徑 |
X波段反射損耗降低40% |
|
WPU氫鍵網絡 |
增強界面極化損耗 |
吸收占比提升至76% |
多層異質結構（圖14c）：
· 磁性層（NFC/Fe?O?）：磁損耗主導（tanδ_m≈0.43）→ 吸收低頻電磁波（2-6 GHz）
· 導電層（PEO/CNT）：電導網絡構筑（＞100 S/m）→ 反射高頻電磁波（12-18 GHz）
雙層層壓結構使整體屏蔽效能達67.6 dB，反射系數降至0.25
3. 纖維基復合紙（圖14d）
三組分協同：
· BF骨架：力學增強（抗拉強度218 MPa）c]^
· ANF橋接：提升CNT分散性 → 電導率突破1,240 S/mc]^
· CNT網絡：構筑三維導電通路
應用場景：
· 航空航天艙體屏蔽（面密度＜0.6 g/cm²）
· 可穿戴設備（彎折5,000次后屏蔽效能保持率＞92%）c]^
技術突破與工業價值
創新設計范式
①梯度化（圖14a）：
· 孔隙梯度 → 實現 寬頻屏蔽（2-40 GHz） + 高效吸收（＞70%） 協同
②層構化（圖14b-c）：
· 電/磁功能層空間分離 → 解決傳統復合材料 阻抗失配痛點
③纖維網絡化（圖14d）：
· ANF原位纏結CNT → 突破納米填料 高負載（＞30 wt%） 導致的脆性瓶頸c]^
應用場景拓展
|
領域 |
具體應用 |
技術適配性 |
|
智能穿戴 |
軍工級抗干擾服 |
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多層結構抑制38 GHz頻段串擾 |
|
新能源 |
電池包電磁防護膜 |
圖14d復合紙耐電解液腐蝕特性c]^ |
科學啟示：通過 多級結構設計（梯度/層狀/纖維網絡）與 組分界面調控，新一代電磁屏蔽材料突破“高效能”與“多功能”不可兼得的傳統局限，為高頻通信、航天軍工等領域提供集成化解決方案。
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圖15. a) 三層ABS/CNT泡沫的電磁屏蔽機制示意圖。經許可復制自文獻[195]，版權所有 © 2023，愛思唯爾。b) C-ZIF67/GNP多層薄膜截面SEM圖像。經許可復制自文獻[198]，版權所有 © 2022，愛思唯爾。c) M-Ti?C?T?/HEC納米復合薄膜的導電損耗（??″<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制示意圖。經許可復制自文獻[199]，版權所有 © 2020，愛思唯爾。e) 導電率遞增（低→高）的PVDF-PEDOT納米纖維層電磁屏蔽方法示意圖。經許可復制自文獻[200]，版權所有 © 2023，愛思唯爾。
深度解析
1. 多層泡沫屏蔽機制（圖15a）
· 三層梯度設計：
· 表層（低CNT負載）：漸進式波阻抗匹配 → 降低初始電磁波反射（反射系數＜0.3）
· 中間層（梯度過渡）：誘發多重散射 → 延長電磁波傳播路徑
· 底層（高CNT負載）：高導電網絡（電導率＞85 S/m）→ 強吸收損耗（占比＞70%）
· 結構優勢：
· 蜂窩狀閉孔泡沫（孔徑30-200 μm）增強機械強度（抗壓＞2 MPa）
2. 異質界面調控（圖15b-d）
· C-ZIF67/GNP薄膜（圖15b）：
· ZIF67衍生鈷碳框架 → 磁損耗增強（tanδ<sub>m</sub>≈0.38）
· GNP片層垂直堆疊 → 構建迷宮式導電通道（面內電導率1,240 S/m）
· M-Ti?C?T?/HEC薄膜（圖15c-d）：
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損耗類型 |
機制 |
貢獻度 |
|
導電損耗（??″<sub>c</sub>） |
MXene連續網絡電子遷移 |
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 + 官能團偶極取向
3. 導電梯度納米纖維（圖15e）
· 功能層設計：
· 絕緣層（PVDF）：低電導率（10?? S/m）→ 波阻抗匹配層
· 過渡層：PEDOT梯度摻雜 → 調控介電常數漸變
· 導電層（PEDOT）：高電導率（10³ S/m）→ 歐姆損耗主導
· 屏蔽特性：
· 厚度僅0.5 mm時，X波段屏蔽效能＞45 dB（吸收損耗占比81%）
核心技術突破
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材料體系 |
創新點 |
性能提升 |
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ABS/CNT泡沫（圖15a） |
閉孔梯度結構 |
密度0.12 g/cm³下屏蔽效能＞32 dB |
|
C-ZIF67/GNP（圖15b） |
磁/電雙損耗異質界面 |
18 GHz頻點吸收損耗占比83% |
|
M-Ti?C?T?/HEC（圖15c-d） |
損耗機制定量分離 |
極化損耗占比突破62% |
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PVDF-PEDOT NF（圖15e） |
導電率連續梯度 |
反射系數降至0.15以下 |
工業應用方向· 汽車電子：ABS/CNT泡沫用于車載雷達屏蔽罩（減輕傳統金屬罩60%重量）
· 柔性顯示：M-Ti?C?T?/HEC薄膜集成觸摸屏電磁防護（透光率＞80%）
· 軍事偽裝：PVDF-PEDOT梯度纖維制備自適應隱身織物
科學啟示：通過 多級結構設計（梯度孔隙/異質界面/導電漸變）與 損耗機制協同調控，新型電磁屏蔽材料實現 超薄化（＜1 mm）、 寬頻強吸收（＞80%）、 輕量化（＜0.2 g/cm³）三重突破，為高頻電子設備與尖端隱身技術提供新范式。
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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應氣凝膠的電磁波衰減性能；b) 有無導電梯度的3D打印氣凝膠屏蔽機制對比示意圖。經許可復制自文獻[201]，版權所有 © 2023，Springer Nature。c) 直寫成型（DIW）3D打印結構制備步驟；d,e) 氣凝膠電磁波衰減機制圖解。經許可復制自文獻[202]，版權所有 © 2023，美國化學會。
深度解析
1. 多層氣凝膠制造工藝（圖16a）
· 創新工藝鏈：
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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[高溫熱還原]
D --> E[梯度氣凝膠]
· 垂直梯度：外層CNT濃度15 wt% → 內層7 wt%（降低表面反射）
· 孔隙調控：冷凍溫度-40℃ → 定向冰晶模板形成平行孔道（孔徑10-50 μm）
2. 梯度屏蔽機制（圖16b）
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結構類型 |
電磁波行為 |
性能缺陷 |
|
均勻氣凝膠 |
表面強反射（反射系數＞0.6） |
吸收占比＜40% |
|
梯度氣凝膠 |
漸進式波阻抗匹配 → 電磁波深入 |
吸收占比＞85% |
梯度結構使電磁波傳播路徑延長3.2倍（模擬數據）
3. 衰減機制（圖16d-e）
· 多重損耗協同：
· 導電損耗：石墨烯/CNT連續網絡 → 電導率1,580 S/m
· 界面極化：石墨烯-蒙脫土異質界面電荷堆積 → 介電損耗角正切tanδ<sub>e</sub>=0.41
· 多重散射：平行孔道誘導電磁波折射（路徑增長率＞300%）
技術突破
性能優勢
|
參數 |
梯度氣凝膠 |
傳統均勻材料 |
|
密度 |
0.008 g/cm³ |
＞0.1 g/cm³ |
|
X波段SE |
72.3 dB |
45-55 dB |
|
吸收損耗占比 |
89% |
＜50% |
|
壓縮回彈性 |
90%形變恢復率＞98% |
易碎裂 |
工業應用場景· 航天器艙體：
· 超輕特性（面密度0.8 mg/cm²）滿足星載設備減重要求
· 耐溫范圍-196℃~300℃（液氮/太空環境適用）
· 6G基站濾波器：
· 38 GHz毫米波屏蔽效能＞65 dB（吸收主導機制降低信號干擾）
科學價值
制造范式革新：
· DIW同軸打印實現 組分-孔隙雙梯度 精準調控（定位精度±5 μm）
損耗機制優化：
· 通過 導電網絡梯度分布 將傳統反射型屏蔽轉為 吸收型屏蔽（反射系數＜0.1）
力學性能突破：
· 蒙脫土片層橋接石墨烯缺陷 → 抗壓強度達25 kPa（同密度氣凝膠的8倍）
核心結論：梯度化3D打印氣凝膠通過 結構設計（組分/孔隙梯度）與 損耗機制協同（導電/極化/散射），在保持超輕特性（＜0.01 g/cm³）下實現 毫米波強吸收屏蔽（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. 基于最新開發的電磁屏蔽系統的綜合結構性能評估：a) 總屏蔽效能（SET）與厚度的關系，b) 比屏蔽效能/厚度（SSE/t）與厚度的關系，c) 吸收損耗占比與總屏蔽效能（SET）的關系。完整數據集及屏蔽系統參數詳見附表S2（支持信息）。注：本圖示所有電磁屏蔽數據的工作頻段均位于X波段（8.2–12.4 GHz）。
深度解析
1. 核心參數定義
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參數 |
物理意義 |
工程價值 |
|
SET |
總屏蔽效能（dB） |
衡量材料整體屏蔽能力 |
|
SSE/t |
單位厚度的比屏蔽效能（dB·cm²/g） |
評價輕量化效率的核心指標 |
|
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鍵參數 |
2. 結構-性能關聯機制（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
· 梯度結構材料（箭頭標注）在0.3 mm厚度突破50 dB → 驗證多層設計優勢
· b圖（SSE/t-厚度）：
· 氣凝膠材料（星號標注）SSE/t達48,000 dB·cm²/g → 源于密度＜0.01 g/cm³的超輕特性
· 傳統金屬箔（三角標注）SSE/t＜1,000 dB·cm²/g → 高密度導致輕量化失效
· c圖（吸收占比-SET）：
· 高SET（＞60 dB）材料吸收占比集中于70-90% → 吸收主導型屏蔽成主流趨勢
· 低SET（＜40 dB）材料吸收占比＜50% → 反射機制仍占主導
3. X波段性能規律
· 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
· 多層異質結構在12.4 GHz處屏蔽效能波動＜5% → 寬頻穩定性優勢
工業應用啟示
材料設計準則
輕量化突破：
· 優先選擇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材料的1/5
00001. 厚度權衡：
· 航空航天領域：優選0.2-0.5 mm厚度（兼顧SET＞45 dB與載荷限制）
技術發展瓶頸
|
參數 |
當前最優值 |
理論極限 |
突破路徑 |
|
SSE/t |
48,000 dB·cm²/g |
＞100,000 dB·cm²/g |
開發原子級厚度MXene膜 |
|
吸收占比 |
92% |
≈100% |
構筑完美阻抗匹配漸變結構 |
科學價值：該系統性評估揭示電磁屏蔽材料的 "輕量化-高效能-低反射"不可能三角 已被梯度化設計突破，為6G通信（n260/n261頻段）與衛星載荷防護提供選型標準。
電磁屏蔽材料發展正面臨多重技術挑戰與創新機遇。聚合物復合材料受限于填料添加量與阻抗失配問題；導電薄膜需平衡高導電性與反射控制；多孔氣凝膠通過獨特孔隙結構實現高效電磁波吸收，但量產工藝待突破；3D打印技術可精準構建梯度結構，卻受制于層間缺陷。其中，多層結構通過交替堆疊阻抗匹配層與損耗層，結合導電梯度設計，展現出最優的綜合性能，能同時實現高屏蔽效能與吸收主導特性。
未來研發應聚焦三大方向：一是優化阻抗匹配工程，降低表面反射；二是開發新型異質結構，協同多重電磁損耗機制；三是創新制備工藝，解決規模化生產瓶頸。通過融合超疏水、自修復等功能特性，結合人工智能輔助設計，將推動新一代高性能、多功能電磁屏蔽材料的產業化應用。當前研究需特別關注材料-結構-性能的構效關系，建立跨學科協同創新體系，以滿足航空航天、電子醫療等高端領域對定制化屏蔽解決方案的迫切需求。DOI: 10.1002/adma.202310683
轉自《石墨烯研究》公眾號
