基于Ti3C2TxMXene涂层的三周期极小曲面结构：面向高性能吸收型电磁屏蔽的设计与优化

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Tailoring triply periodic minimal surface architectures with Ti?C?T? MXene for high-performance absorptive EMI shielding

随着通信与数字系统产生的大量电磁波带来负面影响，开发高效电磁干扰（EMI）屏蔽材料至关重要。本研究创新性地结合Ti3C2TxMXene材料与三周期极小曲面（TPMS）结构，系统探究了其屏蔽效能。通过优化TPMS几何构型、周期及梯度导电设计，成功制备出以吸收机制主导的屏蔽体，在X波段实现超过50 dB的屏蔽效能，且吸收损耗占比超75%，为精准调控屏蔽性能与机制开辟了新路径。

　　

在当今高度数字化的社会中，我们被各种电子设备和无线通信系统所包围，从智能手机、笔记本电脑到即将到来的6G网络。这些设备在带来便利的同时，也持续不断地产生着看不见的“烟雾”——电磁波（Electromagnetic Waves, EMWs）。过量的电磁辐射不仅可能干扰精密电子设备的正常运行，引发电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI），更引发了公众对其潜在健康影响的担忧。因此，开发高效的电磁屏蔽材料，如同为电子世界穿上“防护服”，已成为材料科学与工程领域的一项紧迫任务。

传统的电磁屏蔽材料，如金属箔或导电涂料，主要依靠反射电磁波来达到屏蔽效果。然而，这种“硬碰硬”的反射方式可能导致二次电磁污染，甚至加剧设备内部的信号串扰。理想的屏蔽材料应该像一块“海绵”，能够将入侵的电磁波能量吸收并转化为热能消散掉，即实现“吸收主导型”屏蔽。这要求材料不仅具有良好的导电性以诱发感应电流，还需要精巧的多孔结构来延长电磁波的传播路径，促进多次反射和吸收。三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface, TPMS）结构，一种在三个维度上都呈周期性变化且具有极小表面积的复杂拓扑结构，为设计这种“电磁波迷宫”提供了完美的几何蓝本。另一方面，MXenes，特别是Ti₃C₂T_x，作为一种新兴的二维过渡金属碳/氮化物，因其高电导率、丰富的表面官能团和良好的溶液可加工性，被视为制备轻薄、高效屏蔽涂层的明星材料。那么，能否将TPMS的精妙结构与Ti₃C₂T_xMXene的卓越性能相结合，创造出新一代高性能吸收型屏蔽体呢？发表在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上的这项研究，正是为了回答这一问题。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，利用3D打印技术制备了具有不同几何类型（如Gyroid, Diamond）和单元尺寸（即周期）的聚合物TPMS骨架结构。其次，通过浸涂工艺将Ti₃C₂T_xMXene水分散液均匀涂覆在TPMS骨架表面，构建导电涂层。此外，为了增强吸收，还设计并制备了梯度导电TPMS结构，即通过控制涂层工艺使结构不同区域的导电性呈现梯度变化。最后，使用矢量网络分析仪在X波段频率范围内系统地测量了所有样品的电磁屏蔽效能（EMI SE），并分析了其吸收与反射占比。

研究结果

TPMS结构参数对EMI屏蔽性能的影响

本研究系统评估了TPMS几何构型与周期对屏蔽性能的影响。研究发现，在相同的相对密度和MXene涂层条件下，不同TPMS几何结构展现出不同的屏蔽效能。例如，Gyroid结构因其连续、互穿的双相通道，可能为电磁波提供了更复杂的传播路径，从而表现出优于其他构型的屏蔽潜力。同时，研究揭示了单元尺寸（周期）的关键作用：较小的单元尺寸通常意味着更高的结构表面积和更密集的孔壁，这有利于增加电磁波与导电MXene涂层的相互作用次数，从而显著提升整体屏蔽效能，尤其是吸收损耗部分。

梯度导电TPMS结构实现吸收主导型EMI屏蔽

为了进一步强化吸收机制、抑制反射，研究人员创新性地提出了梯度导电TPMS结构的设计理念。通过精确控制浸涂过程，他们成功制备出导电性从外向内逐渐降低的TPMS结构。这种梯度设计创造了一个阻抗渐变的环境：当电磁波从自由空间入射到材料表面时，阻抗的匹配度更高，减少了初始反射；随后，电磁波进入结构内部，在高导电区域被强烈吸收，剩余部分在向低导电区域传播过程中继续被衰减。实验结果表明，与均匀涂层的样品相比，梯度导电结构能有效将屏蔽机制从反射主导向吸收主导转变，显著提高了吸收损耗（A）在总屏蔽效能中的比例。

优化后的MXene涂层TPMS结构的卓越屏蔽性能

通过对TPMS结构类型、单元尺寸以及MXene涂层工艺（包括浓度、浸涂次数）的综合优化，本研究获得了性能卓越的屏蔽体。最优化的Ti₃C₂T_xMXene涂层TPMS格栅结构在X波段频率范围内，实现了超过50分贝的电磁屏蔽效能。更为重要的是，总屏蔽效能中超过75%的贡献来源于对电磁波的吸收损耗，而非反射。这证明该材料能够有效地“吞噬”电磁波能量，实现了高性能、吸收主导的屏蔽效果。

研究结论与意义

该研究成功地将Ti₃C₂T_xMXene的高导电性与TPMS结构的精妙拓扑相结合，系统阐明了结构参数（几何与周期）对电磁屏蔽性能，特别是吸收能力的调控规律。创新性提出的梯度导电TPMS结构设计，为实现吸收主导型屏蔽提供了有效策略。最终制备的复合材料在X波段表现出超过50 dB的强大屏蔽效能，且吸收占比高达75%以上，展现出显著的“绿色屏蔽”特性。

这项工作的意义在于，它超越了传统单纯依赖材料改性的思路，通过“材料+结构”的协同设计，实现了对电磁屏蔽性能和内在机制的“双调控”。它不仅为开发下一代轻质、高效、强吸收的电磁屏蔽材料与结构指明了方向，其研究范式——即利用增材制造技术自由构建复杂拓扑，并结合功能纳米材料涂层——也可广泛应用于声学屏蔽、催化、能源存储等多个领域。该研究为实现可定制化的多功能复合材料结构奠定了坚实的基础。