综述：纳米材料基吸收主导型高绿色指数电磁干扰屏蔽的最新进展与机遇

《Small Structures》：Recent Advances and Opportunities in Nanomaterial-Based Absorption-Dominant High Green Index Electromagnetic Interference Shields

本综述系统阐述了吸收主导型电磁干扰（EMI）屏蔽材料的前沿进展，重点探讨了如何通过调控材料阻抗匹配、设计多孔/非对称/梯度结构及引入磁损耗等策略，显著提升绿色指数（GI = A/R > 1），在保证高屏蔽效能（SE > 30 dB）的同时最大限度降低反射（R）引起的二次污染，为开发绿色、轻量化、高性能EMI屏蔽材料指明了方向。

　　

电磁干扰屏蔽理论基础

当电磁波作用于屏蔽材料时，其能量主要通过反射（SE_R）、吸收（SE_A）和多次反射（SE_M）三种机制被衰减。总屏蔽效能（SE_T）可表示为三者之和。传统金属屏蔽体虽具有高导电性可实现高效屏蔽，但其高表面反射（SE_R值大）会导致严重的二次电磁污染。理想的“绿色屏蔽体”应具备吸收主导特性，即吸收系数（A）远大于反射系数（R），通常以绿色指数GI = A/R > 1（优选GI ≥ 10）作为衡量标准。为实现这一目标，关键在于改善屏蔽体与自由空间之间的阻抗匹配，并增强材料内部的介电损耗和磁损耗能力。

绿色指数与吸收主导型屏蔽体

绿色指数（GI）是区分反射主导型和吸收主导型屏蔽体的关键参数。为实现GI > 1，需将反射屏蔽效能（SE_R）控制在较低水平（如<3 dB）。对于总屏蔽效能为70 dB的屏蔽体，若SE_R为3 dB，则GI约为1.004；若SE_R降低至1 dB，GI可显著提高至3.862。因此，降低SE_R是提升GI值的核心策略，其主要途径是优化阻抗匹配条件，即让屏蔽体的输入阻抗（Z_in）尽可能接近自由空间阻抗（Z₀= 377 Ω）。

损耗机制

电磁波的衰减主要依赖于材料内部的多种损耗机制。介电损耗源于传导损耗、偶极子极化、界面极化和缺陷诱导极化等过程。材料复介电常数的虚部（ε″）是衡量介电损耗能力的关键指标。磁损耗则包括涡流损耗、磁滞损耗和自然共振/交换共振等剩余损耗，其强弱由复磁导率的虚部（μ″）决定。通过复合导电材料（如碳纳米管、石墨烯、MXene）与磁性材料（如Fe₃O₄、Ni、Co），可以协同提升介电损耗和磁损耗，从而实现高效的电磁波能量吸收和耗散。

多孔结构屏蔽体

多孔结构（如气凝胶、泡沫）因其轻质、高比表面积和可调节的孔隙结构，在吸收主导型屏蔽体中展现出巨大潜力。孔隙的引入不仅降低了材料的等效介电常数，改善了阻抗匹配，还通过引入大量的固/气界面增强了界面极化，并利用孔隙内的多次反射和散射显著延长了电磁波的传播路径，从而提升吸收损耗。例如，Ti₃C₂T_xMXene基气凝胶可通过调控孔隙率，在保持高SE（如75 dB）的同时，实现GI > 4的吸收主导型屏蔽性能。

非对称结构屏蔽体

非对称结构设计是实现高效吸收主导型屏蔽的有效策略。常见的结构包括交替多层结构、Janus结构和梯度结构。其核心思想是构建一个从入射面到出射面电导率或电磁参数（如介电常数、磁导率）呈梯度变化的体系。通常，入射面设计为低电导率/高阻抗匹配层（如含半导体填料或磁性填料的复合材料），以促进电磁波入射并减少初始反射；内部或背面则设计为高电导率层，用于反射已入射的电磁波，使其在屏蔽体内经历“吸收-反射-再吸收”的多次衰减过程。这种设计能显著提高吸收占比（A值），从而获得高GI。例如，Fe₃C₂T_x@CoNi/Ti₃C₂T_x/CNF非对称泡沫在X波段实现了85 dB的SE和0.78的A值（GI ≈ 3.5）。

segregated结构屏蔽体

segregated结构是指导电填料选择性分布在聚合物基体颗粒的边界，形成连续导电网络，而非均匀分散在整体基体中。这种结构能以极低的填料含量（低于渗流阈值）实现高电导率和优异的屏蔽性能。由于填料集中在界面，基体本身仍保持较低介电常数，有利于阻抗匹配，从而倾向于吸收主导的屏蔽机制。例如，在聚苯乙烯（PS）/碳纳米管（CNT）体系中构建segregated结构，仅需少量CNT即可实现33.4 dB的SE和接近0.5的A值（GI ≈ 1）。

超构材料/超表面屏蔽体

超构材料通过人工设计的亚波长结构单元来调控电磁波的传播，能够实现自然材料所不具备的电磁特性，如完美吸收。通过精心设计结构单元的几何形状、尺寸和排列，可以使其在特定频段实现近乎完美的阻抗匹配和极强的电磁损耗。例如，基于非完美石墨烯图案的超表面在17.29 GHz处实现了A值高达0.9958，R值低至8.84×10^-4，GI值超过100，展现了超构材料在实现超高绿色指数屏蔽方面的巨大潜力。

3D打印屏蔽体

增材制造技术（如直写成型DIW、熔融沉积建模FDM、数字光处理DLP）为复杂结构屏蔽体的定制化制备提供了强大工具。3D打印可以精确控制屏蔽体的宏观结构（如晶格、梯度孔隙）、填料分布和内部架构，从而优化电磁波的多重反射和吸收路径。例如，通过DIW打印的MXene/聚合物梯度气凝胶，结合了孔隙结构的阻抗匹配优势和MXene的高损耗特性，实现了SE超过60 dB且GI > 2的屏蔽性能。

磁性材料基屏蔽体

引入磁性组分（如Fe₃O₄、Ni、Co及其氧化物）是增强吸收损耗、降低反射的有效方法。磁性材料不仅能提供磁损耗机制，其较高的磁导率还有助于平衡材料的复电磁参数，改善阻抗匹配。例如，在碳布上定向生长Co链形成的磁性复合材料，通过调控磁性链的取向，在X波段实现了41.6 dB的SE和0.61的A值（GI ≈ 1.6），显著优于无规取向的样品。

未来展望与挑战

尽管纳米材料基吸收主导型EMI屏蔽研究取得了显著进展，但仍面临诸多挑战。未来研究需致力于：1) 探索多种策略（如梯度电导率、磁性调控、超构设计）的协同效应，以期实现GI > 10的超高绿色指数；2) 发展可规模化、低成本的制备工艺（如印刷技术），推动实验室成果向实际应用转化；3) 拓展屏蔽频带，满足5G/6G通信、太赫兹等新兴频段的应用需求；4) 开发兼具高屏蔽效能（SE > 60 dB）、高光学透明度、柔韧性、耐环境性等多功能一体化的屏蔽材料；5) 应对电气绝缘屏蔽体的设计难题，避免短路风险；6) 引入机器学习等先进手段，加速新材料和新结构的设计与优化进程，最终为实现绿色、可持续的电磁环境保护提供材料基础。