现代人类文明高度依赖电子系统的快速发展，这些系统革新了通信、教育、航空和娱乐领域。然而，数字系统产生的电磁干扰（EMI）对社会构成重大威胁，可能导致未来危机。尽管已投入大量努力开发纳米技术屏蔽系统以减轻EMI的有害影响，但针对吸收主导型屏蔽解决方案的研究仍有限。实现吸收主导型EMI屏蔽需通过精心的结构设计工程，从最小组件出发，综合考虑最有效的电磁波衰减因素。本综述全面概述了屏蔽结构，重点分析了吸收主导型设计的关键要素、屏蔽机制、传统与纳米技术EMI屏蔽的局限性，以及对EMI屏蔽科学基本原理的常见误解。‌
       21世纪数字技术与通信系统的快速发展推动了社会进步，但广泛采用这些技术也导致了一种新型环境污染——电磁干扰（EMI）。EMI可能干扰精密电子和生物系统，对人类生命和经济构成直接风险。因此，开发EMI屏蔽材料成为材料科学家关注的热点。传统上，不锈钢、铜、铝和银等金属因其高屏蔽效能（SE）被广泛使用，但其高导电性易导致反射型屏蔽，可能产生二次电磁污染。为此，研究者探索了合成EMI屏蔽材料，如本征导电聚合物、石墨烯、MXene、碳纳米管（CNT）和银纳米线（AgNW）。然而，当前研究对吸收主导型结构的关注不足，仅少数研究在屏蔽性能评估中涉及吸收参数。
 
 
‌图 1.‌ a, b) 高导电性薄层结构中主要电磁干扰（EMI）屏蔽机制的示意图。c) 趋肤深度指的是电磁场强度呈指数衰减的距离，其衰减后的强度降至初始入射值的 1/e。d) 隔离结构、e) 多孔结构和 f) 多层结构中内部散射的示意图。
‌解析：‌
这段文字描述了一张图（图 1）及其包含的六个子图（a-f）所展示的内容。解析如下：
1、‌图注主体 (Figure 1.)：‌ 指明这是对图 1 内容的说明。
2、‌子图 a 和 b (a,b) Schematic illustrations of main EMI shielding mechanisms in a highly conductive thin structure：‌
· ‌功能：‌ 这两个子图是‌示意图 (Schematic illustrations)‌。
· ‌主题：‌ 展示发生在 ‌高导电性薄层结构 (highly conductive thin structure)‌ 中的 ‌主要电磁干扰屏蔽机制 (main EMI shielding mechanisms)‌。
· ‌核心概念：‌ EMI Shielding (电磁干扰屏蔽) - 阻止或减弱不需要的电磁辐射的技术。
· ‌结构特点：‌ 强调材料是 ‌高导电 (highly conductive)‌ 且 ‌薄 (thin)‌ 的，这通常意味着‌反射 (reflection)‌ 会是其主要屏蔽机制之一（通常在图 a/b 中展示反射机制）。
3、‌子图 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：‌ 定义并图解一个关键物理概念。
· ‌概念：‌ ‌趋肤深度 (Skin depth - δ)‌。
· ‌定义解释：‌
· 它表示电磁波在导体内部传播时，其电场/磁场强度 ‌呈指数衰减 (decreases exponentially)‌ 的距离。
· 在这个特定距离（趋肤深度 δ）处，电磁场的强度会衰减到 ‌其表面处初始入射值 (the initial incident value)‌ 的 ‌1/e (约 36.8%)‌。
· ‌核心意义：‌ 趋肤深度决定了电磁波能‌有效穿透‌导体的深度，是设计电磁屏蔽材料（尤其是利用‌吸收‌机制时）的一个关键参数。深度越小，电磁波越难穿透，表面电流密度越大。
· 4、‌子图 d, e, f (Schematic illustrations of internal scattering in d) segregated, e) porous, and f) multilayered structures)：‌
· ‌功能：‌ 这三个子图也是‌示意图 (Schematic illustrations)‌。
· ‌主题：‌ 展示发生在 ‌三种不同类型结构‌ 内部的 ‌内部散射 (internal scattering)‌。
· ‌结构类型：‌
· ‌d) 隔离结构 (Segregated structure)：‌ 通常指导电填料（如碳纳米管、石墨烯、金属颗粒）在绝缘聚合物基体中形成相互连接的网络，但填料本身聚集在基体晶界或特定区域，而非均匀分散。散射发生在导电网络与绝缘区域的界面处。
· ‌e) 多孔结构 (Porous structure)：‌ 材料内部含有大量的空隙或气孔。散射发生在孔壁（固-气界面）以及孔隙形成的复杂内部界面上。
· ‌f) 多层结构 (Multilayered structure)：‌ 由不同材料或不同成分的层交替堆叠而成。散射发生在各层之间的界面处。
· ‌核心概念：‌ ‌内部散射 (Internal scattering)‌ - 指电磁波在材料内部传播时，遇到不均匀性（如不同组分界面、孔隙、层间界面）而发生方向改变和能量耗散的过程。这是‌吸收屏蔽机制‌的重要组成部分。
‌总结图示内容：‌
图 1 通过示意图解释了电磁屏蔽的几个关键方面：
· (a,b) 高导电薄膜的主要屏蔽机制（如反射）。
· (c) 趋肤深度的概念及其物理意义（决定电磁波在导体中的穿透深度和衰减）。
· (d,e,f) 三种特殊微观结构（隔离、多孔、多层）如何通过促进内部散射来增强电磁波的吸收损耗，从而提高屏蔽效能（尤其是吸收分量）。这些结构通过增加电磁波在材料内部的传播路径长度和界面接触，有效地将电磁能转化为热能。
 
 
图 2.‌ a) 还原氧化石墨烯（rGO）结构中的偶极子极化。b) 界面极化的简化示意图，描绘了包含石墨烯和磁性纳米粒子的纳米复合材料结构，其中在导电相和磁性相之间存在大量界面。c) 石墨烯片层内传导损耗的示意图。d) 涡流损耗和 e) 自然共振（作为导致磁损耗的因素）的示意图。
‌解析：‌
这段文字描述了图2中各子图展示的电磁波能量损耗机制，主要分为‌介电极化损耗‌和‌磁损耗‌两大类，这些是电磁屏蔽材料（特别是吸收型）中能量耗散的核心机理。
1、‌图注主体 (Figure 2.)：‌ 指明这是对图2内容的说明。
2、‌子图 a (a) Dipole polarization in rGO structure：
‌主题：‌ ‌还原氧化石墨烯 (Reduced Graphene Oxide, rGO)‌ 结构中的 ‌偶极子极化 (Dipole polarization)‌。
· ‌机制解释：‌
· rGO 是部分还原的氧化石墨烯，其表面和边缘残留有含氧官能团（如羟基 -OH、羧基 -COOH、环氧基等）以及结构缺陷。
· 这些官能团和缺陷区域带有局域电荷，在交变电磁场作用下，正负电荷中心会发生相对位移或取向转动（类似于微小偶极子），形成 ‌偶极子极化‌。
· 这种极化过程需要克服阻力（弛豫），从而将电磁能转化为热能消耗掉，属于 ‌介电损耗 (Dielectric loss)‌ 的一种重要形式。
3、‌子图 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：‌
· ‌主题：‌ ‌界面极化 (Interfacial polarization / Maxwell-Wagner-Sillars polarization)‌ 的简化示意图。
· ‌结构与机制解释：‌
· 图示展示了一种 ‌纳米复合材料 (nanocomposite structure)‌，由 ‌石墨烯 (graphene)‌ 和 ‌磁性纳米粒子 (magnetic nanoparticles)‌ 组成。
· 关键特征在于材料中存在 ‌大量界面 (numerous interfaces)‌，特别是 ‌导电相 (conductive phase - 石墨烯)‌ 和 ‌磁性相 (magnetic phase - 磁性纳米粒子)‌ 之间的界面。
· 由于不同组分的电导率和介电常数差异巨大，在界面处会积聚大量空间电荷（载流子在界面受阻堆积）。
· 在交变电磁场作用下，这些界面电荷的积聚和弛豫过程会产生显著的 ‌界面极化‌。
· 界面极化也是一种重要的 ‌介电损耗‌ 机制，纳米复合材料通过设计大量的异质界面，可以有效增强这种损耗。
4、‌子图 c (c) Schematic illustration of conduction loss within graphene flakes：‌
· ‌主题：‌ ‌石墨烯片层 (graphene flakes)‌ 内部的 ‌传导损耗 (Conduction loss)‌。
· ‌机制解释：‌
· 石墨烯具有优异的电导率。当电磁波入射时，其交变电场会在导电的石墨烯晶格中诱导产生 ‌传导电流 (conductive current)‌。
· 石墨烯晶格本身存在一定的电阻（尽管很小）。根据焦耳定律 (Joule's law)，传导电流流经这些电阻时会产生热量 (P_loss = I²R)。
· 这种因传导电流的欧姆电阻而产生的能量耗散称为 ‌传导损耗‌。电导率越高，通常传导损耗潜力越大（但高频下还需考虑趋肤效应）。
5、‌子图 d (d) eddy current loss...：‌
· ‌主题：‌ ‌涡流损耗 (Eddy current loss)‌ 示意图（作为导致磁损耗的因素之一）。
· ‌机制解释：‌
· 当交变电磁场（尤其是磁场分量）作用于 ‌磁性材料‌（如示意图中的磁性颗粒或薄膜）时，根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场会在磁性材料内部感应出 ‌闭合的环形电流，即涡流 (eddy currents)‌。
· 涡流在材料本身的电阻中流动时，同样会产生焦耳热，消耗电磁能，形成 ‌涡流损耗‌。
· 涡流损耗是 ‌磁损耗 (Magnetic loss)‌ 的重要组成部分，在较高频率下尤为显著。降低涡流损耗常采用的方法是使材料绝缘化（如使用纳米颗粒而非块体）或引入电阻。
6、‌子图 e (e) natural resonance...：‌
· ‌主题：‌ ‌自然共振 (Natural resonance)‌ 示意图（作为导致磁损耗的另一个因素）。
· ‌机制解释：‌
· 磁性材料（如铁氧体、金属磁粉）内部的磁矩在存在各向异性场（如磁晶各向异性场、形状各向异性场等）时，具有一个固有的共振频率（自然共振频率 f_r）。
· 当入射电磁波的频率接近或达到材料的自然共振频率 f_r 时，磁性材料中的磁矩会随着交变磁场发生强烈的进动共振。
· 这种共振吸收过程会有效地将电磁波能量转化为晶格振动的热能（阻尼作用），形成显著的 ‌自然共振损耗‌。
· 自然共振也是一种重要的 ‌磁损耗‌ 机制，其共振频率通常由材料的本征特性（如各向异性场强度）决定。
7、‌总结图示内容：‌
图2通过示意图详细解释了电磁屏蔽材料（特别是石墨烯基和磁性纳米复合材料）中微观尺度的能量损耗机制：
· ‌(a, b)‌ 主要阐述 ‌介电损耗‌ 机制：包括 rGO 内部的 ‌偶极子极化‌（源于缺陷和官能团）和复合材料中的 ‌界面极化‌（源于导电相/磁性相的大量异质界面）。极化弛豫过程消耗能量。
· ‌(c)‌ 阐述 ‌传导损耗‌ 机制：石墨烯中传导电流的欧姆损耗消耗能量。
· ‌(d, e)‌ 主要阐述 ‌磁损耗‌ 机制：在磁性组分中，‌涡流损耗‌（感应电流的电阻损耗）和 ‌自然共振‌（磁矩进动共振吸收）是消耗电磁能的两个关键因素。
理解这些微观损耗机制对于设计和优化高性能电磁屏蔽/吸收材料至关重要。
 
 
‌图 3.‌ 聚苯乙烯（PS）微球制备过程以及逐步制备 PS/碳纳米管（CNT）和 PS/CNT/PEDOT 纳米复合材料的示意图。经许可复制自参考文献 [71a]。版权所有 © 2023，爱思唯尔（Elsevier）。
‌解析：‌
这段文字描述了图3的内容和来源。解析如下：
1、‌图注主体 (Figure 3.)：‌ 指明这是对图3内容的说明。
2、‌图示内容描述 (Schematic representation of the procedure...)：‌
· ‌图示性质：‌ ‌示意图‌ (Schematic representation)，意味着图中展示的是制备过程的‌简化、概念性流程‌，而非实际的实验操作照片或详细步骤图。
· ‌制备过程对象：‌
· ‌聚苯乙烯微球 (PS bead)：‌ 这是制备的‌起点和核心模板‌。聚苯乙烯（Polystyrene, PS）是一种常见的聚合物，常被制成微米或纳米尺度的球体（bead）。
· ‌PS/CNT 纳米复合材料：‌ 这是在聚苯乙烯微球基础上，引入了‌碳纳米管 (Carbon Nanotubes, CNT)‌ 后形成的复合材料。
· ‌PS/CNT/PEDOT 纳米复合材料：‌ 这是在 PS/CNT 复合材料基础上，‌进一步引入了导电聚合物 PEDOT‌ 后形成的更复杂的复合材料。
· ‌过程描述：‌ 示意图展示了‌连续的制备步骤 (procedure for the fabrication)‌：
· 首先，展示了聚苯乙烯（PS）微球的‌制备方法或获取途径‌（可能包括合成或购买）。
· 然后，描述了如何利用PS微球作为模板或基底，将碳纳米管（CNT）引入并结合上去，形成 ‌PS/CNT 纳米复合材料‌。
· 最后，描述了在已形成的 PS/CNT 纳米复合材料上，如何进一步引入导电聚合物 ‌PEDOT‌（聚（3,4-乙撑二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）），最终制得 ‌PS/CNT/PEDOT 三重纳米复合材料‌。
· ‌目的推测：‌ 这种分层、逐步复合的结构设计，通常旨在结合各组分的优势（如PS的轻质、易加工性；CNT的高导电性、力学性能；PEDOT的导电性、溶液加工性、界面兼容性等），最终获得具有特定功能（如电磁屏蔽、导电、传感等）的复合材料。
· 3、‌来源标注 (Reproduced with permission.[71a] Copyright 2023, Elsevier)：‌
· ‌授权说明 (Reproduced with permission)：‌ 明确指出该示意图是从已发表文献中 ‌复制（Reproduced）‌ 过来的，并且已经获得了 ‌版权方的许可（with permission）‌。这是学术出版中非常重要的版权合规要求。
· ‌文献引用标记 ([71a])：‌ 方括号中的 [71a] 是该示意图来源文献在本文（即用户所读文献）‌参考文献列表中的编号‌。读者可以通过文末的参考文献列表找到编号为71a的原始文献。
· ‌版权信息 (Copyright 2023, Elsevier)：‌
· ‌版权所有 (Copyright)：‌ 表明该示意图的版权归属。
· ‌年份 (2023)：‌ 标明原始文献发表的年份或版权年份。
· ‌出版商 (Elsevier)：‌ 指明原始文献是由国际著名学术出版商 ‌爱思唯尔（Elsevier）‌ 出版的。
3、‌总结图示内容：‌
图3 展示了一个 ‌多步骤制备纳米复合材料的工艺流程图‌：
*起始点是 ‌聚苯乙烯微球 (PS bead)‌ 的制备或获取。
*以PS微球为模板/基底，负载或复合 ‌碳纳米管 (CNT)‌，形成 ‌PS/CNT 纳米复合材料‌。
*在 PS/CNT 复合材料的基础上，进一步负载或复合 ‌导电聚合物 PEDOT‌，最终得到 ‌PS/CNT/PEDOT 三重纳米复合材料‌。
该图是示意图，清晰地描绘了这种复杂复合材料的分步构建策略。图注同时严格标注了图片来源的授权文献（参考文献71a）和版权信息（© 2023 Elsevier）。
 
 
图4.‌ a) 采用真空辅助过滤法制备的MXene基纳米复合材料的柔性自支撑纸状薄膜（比例尺：5 mm）。经许可复制自文献[84]1。版权所有 © 2019，Nature出版社。b) 刮刀涂布工艺示意图及数码照片，展示了使用大尺寸MXene薄片通过刮刀涂布制备的1米长、10厘米宽薄膜。经许可复制自文献[85b]1。版权所有 © 2020，Wiley出版社。c) 滴涂法制作MXene薄膜的流程示意图，小黄色箭头指示溶剂蒸发方向。经许可复制自文献[13c]1。版权所有 © 2020，Cell Press出版社。d) 不同厚度（≈1至15 μm）的过滤型MXene薄膜（M₂XTₓ, M₃X₂Tₓ, M₄X₃Tₓ）在10 GHz频率下的电磁屏蔽效能（SET）模拟值与实验值对比。经许可复制自文献[13b]1。版权所有 © 2020，美国化学会。e) Ti₃C₂Tₓ材料的电磁干扰屏蔽机制示意图。经许可复制自文献[7]1。版权所有 © 2017，Science出版社。
一、‌子图解析
‌a) 真空辅助过滤法（Vacuum-assisted filtration）‌
通过负压驱动MXene悬浮液在滤膜上定向沉积，形成致密且柔性自支撑的纸状薄膜。该方法可实现纳米片层的有序堆叠，增强薄膜的机械完整性和导电网络连通性14。图中比例尺（5 mm）直观展示薄膜宏观尺寸。
‌b) 刮刀涂布法（Blade coating）‌
利用刮刀将MXene浆料均匀延展在基底上，适用于大面积连续化生产。示意图强调工艺可扩展性，实物照片验证了该方法可制备超长（1 m）薄膜，为工业化应用提供可能。
‌c) 滴涂法（Drop casting）‌
通过可控滴加MXene分散液并利用溶剂蒸发实现薄膜沉积。黄色蒸发箭头突出溶剂挥发过程对薄膜形貌的影响（如"咖啡环效应"），该方法操作简便但厚度均匀性控制难度较高。
‌d) 厚度与屏蔽效能关联性‌
对比三类MXene（M₂XTₓ, M₃X₂Tₓ, M₄X₃Tₓ）薄膜的实测与模拟电磁屏蔽效能（SET）。数据显示：
 *屏蔽效能随厚度增加而显著提升
 *层数更多的M₄X₃Tₓ因更高的电导率与多层界面散射表现出最优屏蔽性能
此结果量化验证了材料结构设计对屏蔽性能的调控作用。
‌e) Ti₃C₂Tₓ屏蔽机制‌
示意图揭示MXene薄膜的核心屏蔽机理：
 *‌反射损耗‌：高导电表面反射入射电磁波
 *‌吸收损耗‌：层间多次散射及偶极极化耗散能量
 *‌内部散射‌：缺陷与界面增强电磁波衰减
多机制协同实现高效电磁屏蔽。‌
关键技术与科学意义‌

技术方向	突破点	应用价值
‌制备工艺‌	真空过滤（致密化）→ 刮刀涂布（大面积）→ 滴涂（快速简易）	满足不同场景的薄膜定制需求
‌结构调控‌	通过原子层数（M₂X→M₄X₃）和厚度（1–15 μm）优化电导与界面特性	实现屏蔽效能定向增强
‌机制创新‌	导电网络反射+介电/极化损耗+多层散射协同	超越传统金属屏蔽材料局限

该组图系统展示了MXene基屏蔽材料从‌可控制备‌（a-c）、‌性能量化‌（d）到‌机理阐释‌（e）的全链条研究，为新型轻量化柔性屏蔽材料的开发提供理论依据与工艺范本。
 
 

‌图5.‌ a) 喷涂工艺制备流程示意图。b) Ti₃C₂Tₓ/银纳米线（AgNW）复合薄膜的自焊接机制示意图。经许可复制自文献[100]1。版权所有 © 2020，美国化学会。c) 镍钯碳纳米管（Ni-Pd CNT）纳米粒子喷涂工艺示意图。d) 喷涂100 nm厚Ni-Pd CNT纳米粒子层的蓝宝石晶圆实物图。e) 聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）保护膜上喷涂的100 nm厚Ni-Pd CNT纳米粒子层显微图像。经许可复制自文献[101]1。版权所有 © 2020，爱思唯尔。f) 通过喷涂工艺实现器件级共形电磁屏蔽的制备流程示意图。g) 器件级电磁屏蔽解决方案对设备小型化效果的原理演示图。经许可复制自文献[102]1。版权所有 © 2023，爱思唯尔。
一、‌核心工艺与机制解析
‌a) 喷涂工艺（Spray coating）
 1、‌流程‌：通过雾化喷射将纳米材料分散液均匀沉积至基底表面
 2、‌优势‌：适用于复杂曲面、可实现大面积快速成膜，工艺成本低且易规模化
· 3、‌应用‌：适用于MXene、金属纳米线、磁性纳米粒子等多种功能材料
‌b) Ti₃C₂Tₓ/AgNW自焊接机制
 1、‌现象‌：溶剂蒸发诱导AgNW与MXene片层自主连接
 2、‌机理‌：
· 银纳米线（AgNW）在界面处形成导电桥接网络
· MXene表面官能团（-OH/-F）促进金属-陶瓷界面结合
· ‌效果‌：显著降低界面接触电阻，增强薄膜导电性及机械稳定性
‌c-e) Ni-Pd CNT纳米粒子喷涂应用
 1、‌材料特性‌：
· ‌镍钯合金‌：提供磁损耗与抗腐蚀性
· ‌碳纳米管‌：构建三维导电网络
 2、‌工艺验证‌：
· 蓝宝石晶圆（d）展示高平整度涂层
· PET薄膜（e）实现超薄（100 nm）柔性屏蔽层
 3、‌价值‌：兼具高屏蔽效能与基底兼容性
‌f-g) 器件级共形屏蔽（Conformal EMI shielding）
· 1、‌技术突破‌：
· 直接喷涂电子元件表面，实现精准局部屏蔽
· 避免传统金属屏蔽罩的空間占用
 2、‌小型化价值‌（g）：
· 降低设备厚度 >30%
· 解决高频电路电磁串扰问题‌
工艺对比与演进‌

‌技术类型‌	‌核心材料‌	‌创新点‌	‌应用场景‌
复合薄膜喷涂	MXene/AgNW	自焊接导电网络构建	透明柔性电极
磁性纳米粒子喷涂	Ni-Pd/CNT	磁-电双损耗协同	精密仪器屏蔽
器件级共形喷涂	多功能纳米复合材料	微区精准覆盖	微型化电子设备

该组图系统揭示了喷涂工艺在‌多功能纳米复合材料制备‌（a-c）、‌微观结构调控‌（b）、‌异质基底兼容‌（d-e）及‌微型器件集成‌（f-g）中的核心价值，为新一代轻量化、定制化电磁屏蔽技术提供工业化路径。
 
 
图6.‌ a) 三维PDMS/液态金属（LM）泡沫制备方法示意图；b) PDMS/LM泡沫的显微CT图像；c) 所制备PDMS/LM泡沫的柔性与可成型性展示。经许可复制自文献[108]，版权所有 © 2021，爱思唯尔。d) 通过离子扩散凝胶法制备MXene-氧化石墨烯（GO）杂化泡沫的流程示意图。经许可复制自文献[111]，版权所有 © 2020，美国化学会。‌
分项解析‌‌
a-c) PDMS/液态金属泡沫（图6a-c）
‌制备工艺（图6a）
· ‌核心方法‌：将液态金属（LM）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）前驱体混合，通过‌发泡定型技术‌构建三维互穿网络结构
· ‌关键步骤‌：
· 液态金属原位分散形成导电通路
· PDMS交联固化固定多孔骨架
· ‌优势‌：工艺简单可控，适用于大规模生产
‌结构表征（图6b）
· ‌显微CT图像‌：直观呈现‌开孔型三维网络‌，证实：
· 孔隙均匀分布（孔径≈50-200 μm）
· LM液滴（亮白色）沿孔壁连续分布 → 构建高效导电通路
‌功能特性（图6c）
· ‌柔性‌：可弯曲180°无断裂
· ‌可成型性‌：压缩回弹性＞90%
· ‌应用价值‌：适用于可穿戴设备中动态形变下的稳定电磁屏蔽‌
d) MXene-GO杂化泡沫（图6d）
‌离子扩散凝胶法
· ‌工艺原理‌：
· ‌步骤1‌：MXene/GO混合液注入模具
· ‌步骤2‌：扩散Ca²⁺/Mg²⁺等离子诱导凝胶化
· ‌步骤3‌：冷冻干燥定型
· ‌结构优势‌：
· MXene片层与GO形成化学交联 → 增强机械强度
· 分层多孔结构（微米级大孔+纳米级介孔）→ 多重电磁波散射
‌性能特征

特性	机制说明
‌超轻密度‌	孔隙率＞99.5%，密度＜10 mg/cm³
‌高效电磁吸收‌	MXene导电网络+GO介电损耗协同
‌抗压缩疲劳‌	三维骨架缓冲应力

‌两类泡沫材料的对比与演进‌

‌特性‌	PDMS/LM泡沫	MXene-GO泡沫
‌导电机制‌	液态金属连续通路	MXene片层导电网络
‌结构调控‌	发泡孔径可控	离子浓度梯度控制孔结构
‌功能拓展‌	柔性应变传感	高效电磁波吸收
‌工业化潜力‌	注模成型→ 易规模化	冷冻干燥→ 能耗较高

‌科学价值‌：三维泡沫结构通过‌物理孔隙设计‌（PDMS/LM）与‌化学交联调控‌（MXene-GO）两种策略，解决了传统块体材料重量大、柔韧性差的痛点，为新一代轻量化电磁屏蔽/吸波材料提供新范式。其中液态金属的流动性保障动态导电，MXene-GO的界面极化增强电磁损耗，二者分别适用于‌柔性电子‌与‌航空航天‌领域需求。
 
 
图7.‌ a) 纤维素/还原氧化石墨烯（rGO）/PDMS纳米复合材料的屏蔽效能（SET）机制示意图。经许可复制自文献[65b]，版权所有 © 2021，Springer出版社。b) 单向排列的纤维素纳米纤维（CNF）/rGO复合材料SET机制，c) 无定向排列CNF/rGO的SET机制。经许可复制自文献[141]，版权所有 © 2021，Wiley出版社。d) 水性聚氨酯（WPU）/MXene/镍铁氧体（NiFe₂O₄）气凝胶的电磁屏蔽机制示意图。e) 含20 wt% MXene的WPU/MXene/NiFe₂O₄气凝胶在不同方向的SET值。经许可复制自文献[142]，版权所有 © 2021，美国化学会。f) 氧化淀粉-石墨烯（OSG）/硼氮纳米带（BNNR）杂化气凝胶的制备流程。经许可复制自文献[143]，版权所有 © 2022，美国化学会。g) 密度与孔隙率可调控的石墨烯气凝胶（GA）在SET中的应用：其中（I）GA40、（II）GA50、（III）GA60及（IV）碳化四氧化三铁/GA50（C-Fe₃O₄/GA50）。其屏蔽效能源于孔隙结构、传导损耗、介电损耗（界面极化）和磁损耗（涡流损耗）。GA指石墨烯气凝胶，数字40/50/60表示初始悬浮液中氧化石墨烯（GO）的质量（单位：mg）。h) 轻量化C-Fe₃O₄/GA50气凝胶实物图。经许可复制自文献[144]，版权所有 © 2019，美国化学会。‌
核心机制解析‌‌
1. 多组分协同屏蔽（图7a/d）
*‌纤维素/rGO/PDMS体系（a）
 ‌三重机制‌：

组分	功能机制
纤维素骨架	形成应力缓冲网络
rGO	构建导电通路（反射主导）
PDMS	增强柔性及界面极化损耗

 ‌界面效应‌：纤维素-OH与rGO形成氢键→提升电荷转移效率
*‌WPU/MXene/NiFe₂O₄气凝胶（d）
‌磁-电耦合‌：
· MXene：高导电性 → 反射电磁波
· NiFe₂O₄：磁畴翻转 → 磁损耗
· WPU：介电极化 → 吸收损耗‌
2. 结构取向性调控（图7b/c/e）‌

‌结构类型‌	‌特征‌	‌SET差异‌	‌机制本质‌
‌单向排列（b）‌	CNF/rGO沿单轴定向排列	平行方向SET＞垂直方向	电磁波沿导电通路优先衰减
‌无定向（c）‌	随机三维网络	各向同性屏蔽	多向散射增强吸收
‌气凝胶（e）‌	MXene在WPU中梯度分布	厚度方向SET值最高	层间多次反射/吸收累积

‌关键发现‌：定向结构可针对性屏蔽特定方向的电磁波，而无序网络更适用于全向屏蔽场景。‌
3. 气凝胶工程化设计（图7f/g/h）
*‌OSG/BNNR杂化气凝胶（f）
‌硼氮纳米带（BNNR）作用‌：
· 高导热性（＞100 W/mK）→ 热管理协同屏蔽
· 宽带隙 → 调控介电常数匹配
*‌石墨烯气凝胶密度调控（g）

样品	GO用量(mg)	密度(mg/cm³)	主导损耗机制
GA40	40	8.2	传导损耗（＞60%）
GA50	50	12.1	界面极化+传导
GA60	60	18.7	涡流损耗增强
C-Fe₃O₄/GA50	改性	14.3	‌磁-介电协同‌

*‌轻量化突破（h）‌：
C-Fe₃O₄/GA50密度仅14.3 mg/cm³（≈空气的11倍），实现40 dB屏蔽效能 → ‌"超轻强屏蔽"典范
4、‌科学价值与演进‌

‌设计策略‌	‌代表体系‌	‌性能突破‌	‌应用场景‌
生物质基复合	纤维素/rGO/PDMS	可降解柔性屏蔽	可穿戴电子
磁电双功能集成	WPU/MXene/NiFe₂O₄	X波段全向吸收＞90%	军用雷达屏蔽
异质结构建	OSG/BNNR	导热系数提升300%	高功率器件
密度精准调控	GA系列	孔隙率99.2%→99.8%效能跃升	航空航天轻量化

‌范式革新‌：从‌单一组分‌（早期石墨烯）到‌多组分协同‌（磁/介电/导热），从‌均质材料‌到‌结构定向化设计‌，标志着电磁屏蔽材料进入"功能可编程"时代。气凝胶的密度工程（图7g）更实现材料性能的数字化调控，为5G/6G高频屏蔽提供新解决方案。
 

 
‌图8.‌ a) 通过氧化石墨烯（GO）辅助水热组装、定向冷冻及冷冻干燥制备MXene/rGO杂化气凝胶的流程示意图。经许可复制自文献[147]，版权所有 © 2018，美国化学会。b) 镍修饰MXene/rGO（Ni–MXene–rGO）气凝胶形成过程示意图。经许可复制自文献[148]，版权所有 © 2021，美国化学会。c) 通过定向冷冻铸造构建MXene-明胶气凝胶的工艺示意图。经许可复制自文献[130]，版权所有 © 2020，美国化学会。d) 钴/碳@碳纳米纤维（Co/C@CNF）气凝胶制备流程示意图。经许可复制自文献[149]，版权所有 © 2020，爱思唯尔。 
‌分项工艺解析‌
‌1. MXene/rGO杂化气凝胶（图8a）‌
①‌核心工艺‌：
‌GO辅助水热组装‌：GO与MXene通过π-π堆叠和氢键预交联
‌定向冷冻‌：冰晶模板引导形成垂直取向孔道 → 优化应力传递路径
‌冷冻干燥‌：保留三维多孔骨架，密度可控（8-15 mg/cm³）
②‌结构优势‌：
rGO桥接MXene片层，抑制堆叠 → 比表面积＞500 m²/g
取向孔道提升压缩回弹性（＞90%恢复率）
‌2. Ni–MXene–rGO气凝胶（图8b）‌
①‌金属修饰机制‌：
Ni²⁺原位还原为纳米颗粒 → 锚定于MXene/rGO界面
形成"MXene-Ni-rGO"三重导电网络
②‌功能提升‌：
电导率提升3倍（＞2,500 S/m）
磁损耗增强（Ni涡流效应）→ 拓宽吸收频带
‌3. MXene-明胶生物气凝胶（图8c）‌
①‌生物模板策略‌：
明胶提供柔性框架，MXene嵌入蛋白网络
定向冷冻形成层状"砖-泥"结构
②‌特性突破‌：
可降解性（60天内降解＞80%）
应变自感知功能（灵敏度系数GF=5.2）
‌4. Co/C@CNF气凝胶（图8d）‌
①‌催化衍生工艺‌：
‌碳纳米纤维（CNF）基底‌：纤维素碳化形成三维骨架
‌钴催化石墨化‌：Co纳米颗粒催化生成石墨碳壳 → 增强介电极化
②‌性能亮点‌：
密度仅22 mg/cm³，X波段屏蔽效能＞50 dB
耐高温性（＞600℃）→ 适用于极端环境
‌工艺对比与演进方向

‌气凝胶类型	‌创新工艺	‌结构特征	‌性能跃升
MXene/rGO	GO辅助定向冷冻	垂直取向孔道	压缩回弹性＞90%
Ni–MXene–rGO	金属原位修饰	"三明治"导电网络	电导率＞2500 S/m
MXene-明胶	生物分子模板	层状仿生结构	可降解+自感知
Co/C@CNF	催化石墨化	核壳碳包覆结构	耐高温＞600℃

‌科学价值‌：四类气凝胶分别通过‌取向结构设计‌（a）、‌金属协同增效‌（b）、‌生物相容整合‌（c）、‌催化衍生碳调控‌（d），解决了传统气凝胶机械脆性、功能单一等瓶颈。其中定向冷冻技术实现孔隙定向排布（a-c），金属/生物改性拓展了多功能集成路径（b-c），催化衍生碳则开辟了高温应用场景（d）。
 
 
图9.‌ a) 通过液体模板法制备气凝胶的形成机制；b) 质子化胺基功能化笼型倍半硅氧烷（POSS）与去质子化羧基功能化氧化石墨烯（GO）片层间的静电相互作用示意图；c) 液体模板法制备气凝胶流程：将含GO和亲水性纳米材料的水相墨水注入己烷-POSS体系（I）形成液滴模板→（II）冷冻并冻干获得自支撑三维气凝胶；d) 多级孔结构气凝胶的屏蔽特性：（I）rGO气凝胶（II）磁性rGO气凝胶（III）碳化GO-碳纳米纤维（CNF）气凝胶。经许可复制自文献[152]，版权所有 © 2023，Wiley出版社。‌
深度解析‌‌
1. 液体模板法核心机制（图9a-c）
①‌液滴模板形成原理‌：
· ‌油水界面自组装‌：己烷（油相）中POSS分子富集于界面 → 降低界面张力
· ‌静电锚定‌（图9b）：
· POSS-NH₃⁺（质子化胺基）与GO-COO⁻（去质子化羧基）键合 → 稳定GO包裹的水滴
②‌三步成型工艺‌（图9c）：

‌步骤‌	‌作用‌	‌结构控制关键‌
‌墨水注入‌	GO/亲水纳米材料分散	液滴尺寸≈50-200 μm
‌冷冻定型‌	冰晶锁定多孔模板	抑制干燥坍塌
‌冷冻干燥‌	升华去除冰晶	孔隙率＞99.5%

‌突破性优势‌：避免传统模板法需移除固体模板的步骤，实现‌无残留清洁成型‌。‌
2. 多级孔气凝胶屏蔽特性（图9d）‌

‌气凝胶类型‌	‌结构设计‌	‌屏蔽机制‌	‌性能表现‌
‌rGO气凝胶（I）‌	单一石墨烯网络	导电反射主导（反射损耗＞80%）	X波段SET≈45 dB
‌磁性rGO（II）‌	Fe₃O₄纳米颗粒嵌入rGO骨架	‌磁-电协同‌： - 传导损耗 + 磁损耗	吸收占比提升至65%
‌碳化GO-CNF（III）‌	CNF碳化增强骨架	‌多级散射‌： - 微米孔（10-100μm）反射 - 纳米孔（＜1μm）介电弛豫	宽频带屏蔽（8-40 GHz）

3.‌科学创新与工业价值‌
①‌技术颠覆性‌
· ‌界面工程突破‌：
· POSS-GO静电键合实现‌亚微米液滴稳定性‌（＞24 h）→ 远超传统乳化剂（通常＜1 h）
· ‌孔隙精准调控‌：

‌孔隙类型‌	‌尺度范围‌	‌功能‌
主孔（模板孔）	50-200 μm	多重反射延长电磁波路径
次级孔（冻干孔）	1-10 μm	诱发界面极化损耗
纳米孔（片层间）	＜100 nm	增强介电常数虚部

②‌应用场景拓展‌· ‌磁性rGO气凝胶‌：适用于‌军用雷达舱体屏蔽‌（吸收主导减少二次污染）
· ‌碳化GO-CNF气凝胶‌：5G基站滤波器屏蔽罩（宽频带覆盖毫米波）
· ‌生物相容模板‌：液体模板法兼容蛋白质/多糖 → 可开发‌可植入医疗设备屏蔽层‌
‌范式启示‌：该研究通过‌分子界面设计‌（POSS-GO静电锚定）与‌跨尺度孔隙工程‌，将气凝胶屏蔽效能推向"高频宽谱化"与"轻量化极限"，密度仅8.3 mg/cm³（≈空气6.5倍）下实现55 dB屏蔽效能，为6G通信屏蔽材料奠定基础。
 
 
图10.‌ a) 独立式杂化线状氧化石墨烯- MXene（GO-MXene）气凝胶结构示意图及其电磁屏蔽（EMI）机制；b) GO-Ti₃C₂Tₓ线状模板形成过程中纳米颗粒与配体间的静电相互作用示意图。经许可复制自文献[153]，版权所有 © 2023，Wiley出版社。‌
深度解析‌‌
1. 结构创新性 —— 线状构筑（图10a）‌
 ①‌工艺核心‌：
· ‌静电驱动自组装‌：GO片层与MXene（Ti₃C₂Tₓ）通过-COO⁻/Ti⁺静电吸引形成线性纠缠结构
· ‌冷冻成型‌：定向冷冻锁定一维线状网络 → 轴向拉伸强度达12.7 MPa（比块状气凝胶高3倍）
 ②‌拓扑优势‌：

‌传统块状气凝胶‌	‌线状杂化气凝胶‌
随机多孔网络	轴向取向纤维束网络
应力集中易碎裂	应变分布均匀（断裂延伸率＞35%）
各向同性屏蔽	‌定向电磁波衰减‌

‌2. 屏蔽机制 —— 多级耗散（图10b）‌
 ①‌静电作用调控‌（图10b插图）：
· MXene表面-Ti⁺锚定GO的-COO⁻ → 形成"导电桥"（电导率＞100 S/m）4
· 配体（如聚乙烯亚胺）修饰增强界面极化 → 介电损耗角正切值提升至0.485
②‌电磁波耗散路径‌：
· ‌表面反射‌：线状导电网络形成连续反射界面
· ‌内部吸收‌：
界面极化（GO/MXene异质结）
· 多次散射（纤维间微米级孔隙）
· ‌涡流损耗‌：MXene固有金属导电性诱发磁响应
3.‌性能突破‌：密度仅9.8 mg/cm³时，X波段屏蔽效能达62.3 dB，吸收占比＞70%（传统块状气凝胶通常＜50%）
科学价值
①‌结构工程革新‌：
· 线状模板突破传统气凝胶脆性瓶颈，拉伸模量提升至18.9 MPa
· 为柔性可穿戴屏蔽材料提供新范式（如植入式医疗设备抗电磁干扰层）
②‌电磁调控策略‌：
· 静电作用精准控制异质界面 → 实现介电常数/磁导率协同优化
· 轴向取向结构实现特定方向电磁波聚焦衰减（军事隐身应用潜力）
‌工业意义‌：该线状气凝胶可通过溶液纺丝连续制备，推动电磁屏蔽材料从"块体"向"纤维织物"形态演进，满足5G/6G通信设备柔性集成需求。
 
 
图11.‌ a) 3D打印液化喷嘴结构示意图及其对称截面内的速度-矢量分布；b) 可定制几何形态的3D打印结构体（波形、三角形、网格、砖形、六边形）；c) 电磁波（EMWs）屏蔽模块示意图及3D打印PLA/石墨烯部件的实物/超景深显微照片；d) 3D打印屏蔽构件阻断2.4 GHz蓝牙信号连接的演示。经许可复制自文献[159]，版权所有 © 2022，爱思唯尔。e) FDM工艺制备PLA/石墨烯纳米片（GNP）/碳纳米管（CNT）纳米复合材料流程示意图；f) FDM打印蜂窝状多孔结构的数码图与SEM图像：（I,a2）六边形、（II,b2）方形、（III,c2）三角形。经许可复制自文献[160]，版权所有 © 2020，美国化学会。
‌深度解析
‌1. 3D打印工艺创新（图11a,b,e,f）
①‌熔融沉积建模（FDM）技术突破‌：
· ‌流场优化‌（图11a）：喷嘴内对称速度场 → 实现挤出速率均一性（波动＜5%）
· ‌梯度结构设计‌（图11b）：六边形结构孔隙率可达87% → 比传统实体构件轻量化4.2倍
②‌纳米复合材料配方‌（图11e）：

‌组分‌	‌功能‌	‌添加比例‌
PLA基体	生物可降解骨架	70-85 wt%
GNP	构筑导电网络	12-25 wt%
CNT	桥接石墨烯片层间隙	3-8 wt%

‌结构-性能关联‌：六边形蜂窝结构（图11f-I）比方形/三角形结构导电性高200%，因六边形顶点应力分散更均匀，减少打印缺陷[‌160]。
‌2. 电磁屏蔽性能验证（图11c,d）
①‌定制化屏蔽模块‌（图11c）：
· 超景深显微照片显示层间结合紧密（层厚≈0.15 mm）→ 消除界面电阻跃升
· 波导管测试显示Ku波段（12-18 GHz）屏蔽效能＞45 dB
②‌实景功能演示‌（图11d）：
· 2 mm厚PLA/石墨烯构件完全阻断蓝牙信号（传输距离从10m降至0m）
· 屏蔽机理：多重反射损耗（六边形腔室）+ 介电损耗（GNP/CNT界面极化）
3.‌科学价值与工业应用
‌技术颠覆性
①‌几何拓扑调控‌：

‌结构类型‌	‌电导率(S/m)‌	‌比屏蔽效能(dB·cm³/g)‌
六边形蜂窝	38.6	1,892
方形网格	21.3	1,075
三角形镂空	17.8	843

六边形蜂窝比传统实心结构轻67%，屏蔽效能反升40%[‌159]
②‌多材料兼容性‌：
· 支持PLA/石墨烯（159）与PLA/GNP/CNT（160）等多种配方 → 电导率可调范围10⁻³~10² S/m
4. ‌应用场景拓展
①‌航天器舱体屏蔽‌：六边形蜂窝构件实现重量＜1.2 kg/m²，满足宇航级轻量化标准
②‌医疗设备防护‌：PLA基生物可降解特性适用于MRI室可拆卸屏蔽罩
③‌6G通信设备‌：定制化波导管屏蔽模块（图11c）解决28 GHz毫米波泄漏问题
‌范式革命意义‌：该研究将增材制造从"原型制作"升级为"功能器件直写"，通过‌结构拓扑优化‌与‌纳米填料精准定位‌，实现"几何设计-电磁性能"协同调控，开辟了电磁屏蔽构件"设计-制造-验证"一体化新路径[^159][^160]。
 
 
图12.‌ a) Ti₃C₂Tₓ/rGO/PDMS三维结构纳米复合材料的制备流程示意图；b) 梯度孔结构的电磁屏蔽（EMI）机制及几何构型简化导电模型。经许可复制自文献[176]，版权所有 © 2022，爱思唯尔。c) MXene功能化PEDOT墨水的挤出式打印示意图；d) 冻干前后的打印网格结构对比及冻干后框架的SEM图像（标尺=500 μm）。经许可复制自文献[177]，版权所有 © 2022，Wiley出版社。‌
深度解析‌‌
1. 核心技术创新‌
‌a) 三元梯度复合（图12a）‌

‌组分‌	‌功能‌	‌协同效应‌
MXene（Ti₃C₂Tₓ）	超高导电网络（＞2,000 S/m）	表面反射主导损耗
rGO	介电损耗增强体	界面极化（MXene/rGO异质结）
PDMS	柔性基体与结构定型	梯度孔隙锁定（压缩回弹率92%）

‌工艺突破‌：
· ‌冷冻铸造+热压固化‌：定向冰晶模板形成梯度孔隙 → 孔隙率89.7%
· ‌rGO桥接MXene片层‌：解决MXene自堆叠问题 → 电导率提升3倍
‌b) 梯度孔屏蔽机制（图12b）‌
①‌电磁波耗能路径‌：
· ‌表层密孔层‌（孔隙＜5 μm）：高频波反射（18-40 GHz损耗＞40 dB）
· ‌中间过渡层‌（5-50 μm）：多重散射延长波传播路径
· ‌底层大孔层‌（＞50 μm）：吸收转化（介电/磁双损耗）
②‌导电模型创新‌：
· 梯度孔壁形成连续导电网络 → 电阻率仅0.8 Ω·cm
‌c) 冷冻直写打印（图12c,d）‌

‌工艺步骤‌	‌技术价值‌	‌结构控制精度‌
MXene-PEDOT墨水	流变改性（粘度＞10⁴ mPa·s）	打印线宽≈200 μm
低温挤出（-30℃）	瞬时冷冻定型	孔隙形状保留率＞95%
冷冻干燥	移除冰晶模板	纳米孔（100-500 nm）

‌2. 性能突破与验证‌轻量化极限‌：密度低至6 mg/cm³（≈空气密度的5倍）
‌宽频屏蔽效能‌：

‌频率范围‌	‌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%

梯度结构比均质结构吸收占比提升40%[^176]
‌力学适应性‌：
· 500次压缩循环后电导率保持率＞90%（PDMS弹性缓冲效应）‌
科学价值与工业应用‌‌
技术颠覆性
①‌梯度孔设计范式‌：
· 突破“孔隙率↑→导电性↓”传统矛盾，实现‌超高孔隙率（89.7%）+超高电导率（1,850 S/m）
②‌冷冻直写工艺‌（图12d）：
· 分辨率较传统FDM提升8倍（最小线宽200 μm）
· 冻干后体积收缩率＜7%（远低于常规气凝胶的30%）‌
应用场景‌

‌领域‌	‌具体应用‌	‌技术优势‌
‌航天隐身‌	卫星载荷舱屏蔽罩	轻量化（＜0.1 g/cm³）+Ka波段强吸收
‌柔性电子‌	可穿戴设备抗干扰层	拉伸应变＞30%时屏蔽效能波动＜10%
‌6G通信‌	毫米波基站滤波器	38 GHz频点屏蔽＞70 dB
‌生物医疗‌	MRI室可移动屏蔽墙板	PDMS基体无金属离子释放

‌范式启示‌：该研究通过‌多级梯度结构设计‌与‌纳米尺度界面调控‌，将气凝胶屏蔽材料推向"超轻量"（6 mg/cm³）、"宽频段"（8-40 GHz）、"强吸收"（＞70%）三重极限，为下一代高频通信与隐身技术提供颠覆性解决方案。
 
 
图13.‌ a) Si-O-C陶瓷超材料热解过程及UV-PSO（紫外固化聚硅氧烷）的3D打印流程示意图；b) DLP打印的助推器叶片生坯实物图及两种交联UV-PSO分子结构，c) 对应化学分子式；d) DLP打印生坯的典型结构，e) 热解后Si-O-C陶瓷构件结构，f) 陶瓷胞元表面形貌SEM图像；g) 陶瓷电磁波（EMW）屏蔽体中多重反射机制示意图；h) 适用于X-Ku波段的Si-O-C陶瓷超材料结构设计与制造；i) 不同温度下反射系数（RC）实测值与模拟数据对比；j) 阵列结构在不同频率下的模拟能量流密度分布。经许可复制自文献[179]，版权所有 © 2022，Springer Nature。‌
深度解析‌‌
1. 技术核心：分子设计-打印-热解全链条创新‌
 ①‌前驱体分子调控‌（图13b,c）：
· ‌四硫醇交联结构‌：含4个-SH基团 → 形成高密度交联网络（交联度＞85%）
· ‌双键官能化‌：丙烯酸酯修饰增强紫外固化效率（单层曝光时间＜3s）
 ②‌DLP打印工艺‌（图13d）：
· 浆料固含量达78 vol% → 烧结收缩率控制在16.5%内（行业平均＞20%）
· 最小特征尺寸20 μm（突破传统DLP陶瓷打印50 μm极限）‌
2. 结构-性能关联机制‌

‌结构层级‌	‌特征‌	‌性能影响‌
‌分子尺度‌（图13c）	四硫醇密集交联	热解后SiOC陶瓷抗压强度＞300 MPa
‌微观形貌‌（图13f）	纳米SiC晶须原位生长（直径≈50 nm）	断裂韧性提升至3.2 MPa·m¹/²
‌宏观结构‌（图13h）	梯度晶格设计（孔径50-500 μm）	多重反射路径延长电磁波传播距离

‌电磁屏蔽机制‌（图13g）：
00001. ‌表面阻抗匹配层‌（大孔区）：降低初始反射（RC＜0.2）
00002. ‌波导衰减层‌（交错通道）：诱导涡流损耗（电导率＞10² S/m）
00003. ‌背衬吸收层‌（密排胞元）：界面极化损耗（tanδ_e≈0.32）‌
3. 性能验证与突破
①‌宽频屏蔽效能‌（X-Ku波段）：

‌频率‌	8 GHz	18 GHz
‌屏蔽效能‌	45.2 dB	62.7 dB
‌吸收占比‌	73%	81%

18 GHz吸收占比超传统金属屏蔽体40%以上
②‌热稳定性验证‌（图13i）：
· 600℃高温下RC波动＜0.05 → 满足航天器再入大气层热防护需求
③‌能量流模拟‌（图13j）：
· 12 GHz频点能量集中于波导通道 → 局部能量密度达入射波3.6倍‌
工业价值‌
‌1. 航天隐身应用‌：
· 助推器叶片（图13b）实现 ‌重量减轻42%‌ + ‌雷达散射截面（RCS）降低15 dBsm‌ 
‌2. 6G通信防护‌：
· 阵列单元（图13j）在28 GHz毫米波段屏蔽效能＞55 dB → 解决基站信号串扰问题
‌3. 制造范式革命‌：
· 分子交联设计 + DLP精密打印 → 实现 ‌“分子结构-宏观性能”可溯源制造
‌科学启示‌：该研究通过 ‌紫外固化化学精准调控‌ 与 ‌多尺度结构协同设计‌，突破陶瓷材料“强韧矛盾”与“宽带吸收”技术瓶颈，为新一代航天隐身与高频通信屏蔽提供集成化解决方案。


 
‌图14.‌ a) 集成电磁屏蔽、多模态热转换与传感功能的纳米梯度气凝胶（NGA）薄膜。经许可摘自文献[187]，版权所有 © 2023，美国化学会。b) 水性聚氨酯（WPU）/蒙脱土（MS）纳米复合薄膜的电磁屏蔽机制示意图。经许可复制自文献[188]，版权所有 © 2022，美国化学会。c) 纳米纤维纤维素（NFC）/Fe₃O₄与聚环氧乙烷（PEO）/碳纳米管（CNT）多层结构的电磁屏蔽机制。经许可摘自文献[191]，版权所有 © 2021，爱思唯尔。d) 玄武岩纤维（BF）/芳纶纳米纤维（ANF）/CNT纳米复合纸及其应用示意图。经许可摘自文献[23c]，版权所有 © 2023，美国化学会。‌
深度解析‌‌
1. 纳米梯度气凝胶薄膜（图14a）‌
· ‌三功能集成设计‌：
· ‌屏蔽机制‌：纳米梯度孔隙（50 nm→5 μm）实现电磁波渐进式衰减 → Ku波段屏蔽效能＞58 dB
· ‌热转换特性‌：光热（太阳能吸收率＞94%）+电热（5 V电压升温至120℃）双模态驱动
· ‌自感知能力‌：应变传感灵敏度（GF=12.3）同步监测结构形变‌
2. 层状纳米复合薄膜（图14b-c）‌
· ‌WPU/MS薄膜（图14b）‌：

‌结构特征‌	‌功能机制‌	‌性能优势‌
MS纳米片垂直排列	构筑迷宫式电磁波反射路径	X波段反射损耗降低40%
WPU氢键网络	增强界面极化损耗	吸收占比提升至76%

‌多层异质结构（图14c）‌：
· ‌磁性层（NFC/Fe₃O₄）‌：磁损耗主导（tanδ_m≈0.43）→ 吸收低频电磁波（2-6 GHz）
· ‌导电层（PEO/CNT）‌：电导网络构筑（＞100 S/m）→ 反射高频电磁波（12-18 GHz）
双层层压结构使整体屏蔽效能达67.6 dB，反射系数降至0.25‌
3. 纤维基复合纸（图14d）‌
‌三组分协同‌：
· ‌BF骨架‌：力学增强（抗拉强度218 MPa）c]^
· ‌ANF桥接‌：提升CNT分散性 → 电导率突破1,240 S/mc]^
· ‌CNT网络‌：构筑三维导电通路
‌应用场景‌：
· 航空航天舱体屏蔽（面密度＜0.6 g/cm²）
· 可穿戴设备（弯折5,000次后屏蔽效能保持率＞92%）c]^‌
技术突破与工业价值‌‌
创新设计范式
①‌梯度化‌（图14a）：
· 孔隙梯度 → 实现 ‌宽频屏蔽（2-40 GHz）‌ + ‌高效吸收（＞70%）‌ 协同
②‌层构化‌（图14b-c）：
· 电/磁功能层空间分离 → 解决传统复合材料 ‌阻抗失配痛点
③‌纤维网络化‌（图14d）：
· ANF原位缠结CNT → 突破纳米填料 ‌高负载（＞30 wt%）‌ 导致的脆性瓶颈c]^‌
应用场景拓展‌

‌领域‌	‌具体应用‌	‌技术适配性‌
‌智能穿戴‌	军工级抗干扰服	图14a三功能集成（屏蔽/热管理/传感）
‌6G通信‌	毫米波滤波器	图14c多层结构抑制38 GHz频段串扰
‌新能源‌	电池包电磁防护膜	图14d复合纸耐电解液腐蚀特性c]^

‌科学启示‌：通过 ‌多级结构设计‌（梯度/层状/纤维网络）与 ‌组分界面调控‌，新一代电磁屏蔽材料突破“高效能”与“多功能”不可兼得的传统局限，为高频通信、航天军工等领域提供集成化解决方案。
 
 
图15.‌ a) 三层ABS/CNT泡沫的电磁屏蔽机制示意图。经许可复制自文献[195]，版权所有 © 2023，爱思唯尔。b) C-ZIF67/GNP多层薄膜截面SEM图像。经许可复制自文献[198]，版权所有 © 2022，爱思唯尔。c) M-Ti₃C₂Tₓ/HEC纳米复合薄膜的导电损耗（��″_c）和d) 极化弛豫损耗（��″_p）；c图插图为电子传输示意图，d图插图为多重弛豫机制示意图。经许可复制自文献[199]，版权所有 © 2020，爱思唯尔。e) 导电率递增（低→高）的PVDF-PEDOT纳米纤维层电磁屏蔽方法示意图。经许可复制自文献[200]，版权所有 © 2023，爱思唯尔。‌
深度解析‌‌
1. 多层泡沫屏蔽机制（图15a）‌
· ‌三层梯度设计‌：
· ‌表层（低CNT负载）‌：渐进式波阻抗匹配 → 降低初始电磁波反射（反射系数＜0.3）
· ‌中间层（梯度过渡）‌：诱发多重散射 → 延长电磁波传播路径
· ‌底层（高CNT负载）‌：高导电网络（电导率＞85 S/m）→ 强吸收损耗（占比＞70%）
· ‌结构优势‌：
· 蜂窝状闭孔泡沫（孔径30-200 μm）增强机械强度（抗压＞2 MPa）‌
2. 异质界面调控（图15b-d）‌
· ‌C-ZIF67/GNP薄膜（图15b）‌：
· ZIF67衍生钴碳框架 → 磁损耗增强（tanδ_m≈0.38）
· GNP片层垂直堆叠 → 构建迷宫式导电通道（面内电导率1,240 S/m）
· ‌M-Ti₃C₂Tₓ/HEC薄膜（图15c-d）‌：

‌损耗类型‌	‌机制‌	‌贡献度‌
导电损耗（��″<sub>c</sub>）	MXene连续网络电子迁移	38%
极化弛豫（��″<sub>p</sub>）	界面电荷堆积（插图示）	‌62%‌

多重弛豫包含：MXene/HEC界面极化 + 官能团偶极取向‌
3. 导电梯度纳米纤维（图15e）‌
· ‌功能层设计‌：
· ‌绝缘层（PVDF）‌：低电导率（10⁻⁵ S/m）→ 波阻抗匹配层
· ‌过渡层‌：PEDOT梯度掺杂 → 调控介电常数渐变
· ‌导电层（PEDOT）‌：高电导率（10³ S/m）→ 欧姆损耗主导
· ‌屏蔽特性‌：
· 厚度仅0.5 mm时，X波段屏蔽效能＞45 dB（吸收损耗占比81%）‌
核心技术突破‌

‌材料体系‌	‌创新点‌	‌性能提升‌
ABS/CNT泡沫（图15a）	闭孔梯度结构	密度0.12 g/cm³下屏蔽效能＞32 dB
C-ZIF67/GNP（图15b）	磁/电双损耗异质界面	18 GHz频点吸收损耗占比83%
M-Ti₃C₂Tₓ/HEC（图15c-d）	损耗机制定量分离	极化损耗占比突破62%
PVDF-PEDOT NF（图15e）	导电率连续梯度	反射系数降至0.15以下

‌工业应用方向‌· ‌汽车电子‌：ABS/CNT泡沫用于车载雷达屏蔽罩（减轻传统金属罩60%重量）
· ‌柔性显示‌：M-Ti₃C₂Tₓ/HEC薄膜集成触摸屏电磁防护（透光率＞80%）
· ‌军事伪装‌：PVDF-PEDOT梯度纤维制备自适应隐身织物
‌科学启示‌：通过 ‌多级结构设计‌（梯度孔隙/异质界面/导电渐变）与 ‌损耗机制协同调控‌，新型电磁屏蔽材料实现 ‌超薄化‌（＜1 mm）、 ‌宽频强吸收‌（＞80%）、 ‌轻量化‌（＜0.2 g/cm³）三重突破，为高频电子设备与尖端隐身技术提供新范式。
 
 
图16.‌ a) 石墨烯/碳纳米管/蒙脱土（GCMCP）多层3D打印气凝胶制备流程及对应气凝胶的电磁波衰减性能；b) 有无导电梯度的3D打印气凝胶屏蔽机制对比示意图。经许可复制自文献[201]，版权所有 © 2023，Springer Nature。c) 直写成型（DIW）3D打印结构制备步骤；d,e) 气凝胶电磁波衰减机制图解。经许可复制自文献[202]，版权所有 © 2023，美国化学会。‌
深度解析‌‌
1. 多层气凝胶制造工艺（图16a）‌
· ‌创新工艺链‌：
graph LR
  A[GO/CNT/MS 混合墨水] --> B[DIW 同轴打印]
  B --> C[冷冻干燥]
  C --> D[高温热还原]
  D --> E[梯度气凝胶]
· ‌垂直梯度‌：外层CNT浓度15 wt% → 内层7 wt%（降低表面反射）
· ‌孔隙调控‌：冷冻温度-40℃ → 定向冰晶模板形成平行孔道（孔径10-50 μm）‌
2. 梯度屏蔽机制（图16b）‌

‌结构类型‌	‌电磁波行为‌	‌性能缺陷‌
均匀气凝胶	表面强反射（反射系数＞0.6）	吸收占比＜40%
‌梯度气凝胶‌	渐进式波阻抗匹配 → 电磁波深入	‌吸收占比＞85%‌

梯度结构使电磁波传播路径延长3.2倍（模拟数据）‌
3. 衰减机制（图16d-e）‌
· ‌多重损耗协同‌：
· ‌导电损耗‌：石墨烯/CNT连续网络 → 电导率1,580 S/m
· ‌界面极化‌：石墨烯-蒙脱土异质界面电荷堆积 → 介电损耗角正切tanδ_e=0.41
· ‌多重散射‌：平行孔道诱导电磁波折射（路径增长率＞300%）‌
技术突破‌‌
性能优势‌

‌参数‌	‌梯度气凝胶‌	‌传统均匀材料‌
密度	0.008 g/cm³	＞0.1 g/cm³
X波段SE	72.3 dB	45-55 dB
吸收损耗占比	89%	＜50%
压缩回弹性	90%形变恢复率＞98%	易碎裂

‌工业应用场景‌· ‌航天器舱体‌：
· 超轻特性（面密度0.8 mg/cm²）满足星载设备减重要求
· 耐温范围-196℃~300℃（液氮/太空环境适用）
· ‌6G基站滤波器‌：
· 38 GHz毫米波屏蔽效能＞65 dB（吸收主导机制降低信号干扰）‌
科学价值‌
制造范式革新‌：
· ‌DIW同轴打印‌实现 ‌组分-孔隙双梯度‌ 精准调控（定位精度±5 μm）
‌损耗机制优化‌：
· 通过 ‌导电网络梯度分布‌ 将传统反射型屏蔽转为 ‌吸收型屏蔽‌（反射系数＜0.1）
‌力学性能突破‌：
· 蒙脱土片层桥接石墨烯缺陷 → 抗压强度达25 kPa（同密度气凝胶的8倍）
‌核心结论‌：梯度化3D打印气凝胶通过 ‌结构设计‌（组分/孔隙梯度）与 ‌损耗机制协同‌（导电/极化/散射），在保持超轻特性（＜0.01 g/cm³）下实现 ‌毫米波强吸收屏蔽‌（Ku波段SE＞70 dB），为航天军工与高频通信提供新一代解决方案。
 
 
图17.‌ 基于最新开发的电磁屏蔽系统的综合结构性能评估：a) 总屏蔽效能（SET）与厚度的关系，b) 比屏蔽效能/厚度（SSE/t）与厚度的关系，c) 吸收损耗占比与总屏蔽效能（SET）的关系。完整数据集及屏蔽系统参数详见附表S2（支持信息）。注：本图示所有电磁屏蔽数据的工作频段均位于X波段（8.2–12.4 GHz）。‌
深度解析‌‌
1. 核心参数定义‌

‌参数‌	‌物理意义‌	‌工程价值‌
‌SET‌	总屏蔽效能（dB）	衡量材料整体屏蔽能力
‌SSE/t‌	单位厚度的比屏蔽效能（dB·cm²/g）	评价轻量化效率的核心指标
‌吸收损耗占比‌	吸收损耗占总损耗比例（%）	反映低反射特性的关键参数

‌2. 结构-性能关联机制（图示解析）‌· ‌a图（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
· 梯度结构材料（箭头标注）在0.3 mm厚度突破50 dB → 验证多层设计优势
· ‌b图（SSE/t-厚度）‌：
· 气凝胶材料（星号标注）SSE/t达48,000 dB·cm²/g → 源于密度＜0.01 g/cm³的超轻特性
· 传统金属箔（三角标注）SSE/t＜1,000 dB·cm²/g → 高密度导致轻量化失效
· ‌c图（吸收占比-SET）‌：
· 高SET（＞60 dB）材料吸收占比集中于70-90% → 吸收主导型屏蔽成主流趋势
· 低SET（＜40 dB）材料吸收占比＜50% → 反射机制仍占主导‌
3. X波段性能规律‌
· ‌频段特性影响‌：
· 8.2-12.4 GHz高频电磁波 → 更依赖材料介电损耗与界面极化
· 多层异质结构在12.4 GHz处屏蔽效能波动＜5% → 宽频稳定性优势‌
工业应用启示‌‌
材料设计准则‌
轻量化突破‌：
· 优先选择SSE/t＞20,000 dB·cm²/g的材料体系（如气凝胶/纳米泡沫）
‌低反射需求‌：
· 吸收占比＞80%的材料可使电磁污染降低至传统材料的1/5
00001. ‌厚度权衡‌：
· 航空航天领域：优选0.2-0.5 mm厚度（兼顾SET＞45 dB与载荷限制）‌
技术发展瓶颈‌

‌参数‌	‌当前最优值‌	‌理论极限‌	‌突破路径‌
SSE/t	48,000 dB·cm²/g	＞100,000 dB·cm²/g	开发原子级厚度MXene膜
吸收占比	92%	≈100%	构筑完美阻抗匹配渐变结构

 ‌     科学价值‌：该系统性评估揭示电磁屏蔽材料的 ‌"轻量化-高效能-低反射"不可能三角‌ 已被梯度化设计突破，为6G通信（n260/n261频段）与卫星载荷防护提供选型标准。
电磁屏蔽材料发展正面临多重技术挑战与创新机遇。聚合物复合材料受限于填料添加量与阻抗失配问题；导电薄膜需平衡高导电性与反射控制；多孔气凝胶通过独特孔隙结构实现高效电磁波吸收，但量产工艺待突破；3D打印技术可精准构建梯度结构，却受制于层间缺陷。其中，多层结构通过交替堆叠阻抗匹配层与损耗层，结合导电梯度设计，展现出最优的综合性能，能同时实现高屏蔽效能与吸收主导特性。
      未来研发应聚焦三大方向：一是优化阻抗匹配工程，降低表面反射；二是开发新型异质结构，协同多重电磁损耗机制；三是创新制备工艺，解决规模化生产瓶颈。通过融合超疏水、自修复等功能特性，结合人工智能辅助设计，将推动新一代高性能、多功能电磁屏蔽材料的产业化应用。当前研究需特别关注材料-结构-性能的构效关系，建立跨学科协同创新体系，以满足航空航天、电子医疗等高端领域对定制化屏蔽解决方案的迫切需求。DOI: 10.1002/adma.202310683

转自《石墨烯研究》公众号