梯度导电性及尺寸分级Ti3C2TxMXene复合TPMS结构实现吸收主导型电磁屏蔽

《Advanced Science》：Absorption-Dominant Electromagnetic Interference Shielding of Ti3C2Tx MXene-Coated and Fe3O4-Integrated TPMS Composites with Coupled Gradient Conductivity and Size-Graded Structure

本文综述了一种创新型的电磁干扰屏蔽结构设计。该研究将梯度导电涂层、尺寸分级的三周期极小曲面结构与磁性颗粒相结合，通过协同增强电磁波在结构内部的吸收与耗散，有效克服了传统高反射屏蔽材料引起的二次污染问题，为开发高效、吸收主导且环境稳定的电磁屏蔽复合材料提供了新的策略。

　　

随着先进电子技术的飞速发展，无处不在的电磁波辐射带来了日益严重的电磁污染问题。为应对这一挑战，开发以吸收为主导的电磁干扰屏蔽材料，以最大限度地减少传统高导电金属屏蔽体带来的二次反射污染，变得至关重要。本篇文章围绕一种创新的吸收主导型电磁屏蔽结构展开，该结构集成了梯度导电的Ti₃C₂T_xMXene涂层、尺寸分级的三周期极小曲面宏观结构以及磁性Fe₃O₄颗粒，旨在实现优异的电磁波吸收能力和环境稳定性。

引言

电磁波是现代航空、通信及雷达系统的基石，但随之而来的电磁干扰不仅威胁敏感电子设备的可靠运行，也可能影响人体健康。传统金属屏蔽体虽性能可靠，但其高密度、易腐蚀及高反射特性限制了应用，并导致严重的二次辐射污染。因此，发展具有高衰减效率和吸收主导能力的屏蔽材料成为研究热点。二维材料，特别是石墨烯和MXenes，因其优异的电学、力学和化学性质，在电磁屏蔽领域展现出巨大潜力。其中，Ti₃C₂T_xMXene凭借其出色的金属电导率，成为极具前景的候选材料。然而，其独立的薄膜或泡沫形态常因高电导率导致的严重阻抗失配而反射过高，且机械承载能力有限。将MXene负载于多孔结构或集成磁性组分是解决这些问题的有效途径。增材制造技术为制造复杂的定制化电磁屏蔽结构提供了可能，其中三周期极小曲面结构以其轻质、高比表面积、可调孔隙率和良好的机械完整性而备受关注。通过构建梯度导电和尺寸分级的结构，可以实现平滑的阻抗过渡，引导电磁波深入材料内部并被有效吸收。

材料制备与结构设计

研究采用优化的轻度强层剥离法合成了Ti₃C₂T_xMXene胶体。利用数字光处理3D打印技术，以标准树脂（及掺有Fe₃O₄纳米颗粒的树脂）为原料，制备了具有Gyroid几何形状的TPMS骨架结构。通过浸渍涂层法，在TPMS骨架上实现了梯度导电的MXene涂层。具体而言，通过分步降低浸渍液面高度，使样品顶部、中部和底部分别被涂覆一次、两次和三次，从而在厚度方向上形成从低到高的电导率梯度。此外，还设计了单元尺寸沿厚度方向从大到小（例如从10毫米渐变至2.5毫米）的分级TPMS结构，以耦合梯度电导率和尺寸分级效应，优化电磁波传播路径。

电磁屏蔽性能与机理

对均匀单元尺寸TPMS结构的研究表明，增大单元尺寸有助于提高材料的吸收率和整体屏蔽效能。当单元尺寸为10毫米时，结构表现出最高的吸收率。在此基础上，引入尺寸分级（如10-2.5结构）能进一步显著提升吸收主导的屏蔽性能。对于10毫米厚的分级结构，其吸收率可达约0.886，总屏蔽效能约为23分贝。在结构背面附加一层高导电的纯MXene薄膜作为反射层后，总屏蔽效能大幅提升至约60分贝，同时仍保持高吸收特性（吸收率>0.85）。将样品厚度增加至20毫米后，性能得到进一步增强，其中10-2.5分级结构实现了约68.07分贝的总屏蔽效能和高达约0.96的吸收率，达到了卓越的吸收主导型屏蔽水平。

Fe₃O₄磁性颗粒的引入带来了介电-磁耦合的协同损耗机制。当Fe₃O₄含量为1重量百分比时，复合结构表现出最佳的电磁参数和屏蔽性能，其吸收率和屏蔽效能均优于未添加磁性颗粒的样品。这表明Fe₃O₄不仅通过磁损耗贡献衰减，还改善了整个结构的阻抗匹配。研究还发现，电磁波的入射方向对屏蔽机制有决定性影响。当电磁波从大单元尺寸、低电导率的入口端入射时，结构呈现吸收主导特性；反之，从小单元尺寸、高电导率端入射时，则表现为反射主导。这证实了梯度设计在调控电磁波传播行为方面的有效性。

其屏蔽机理可归纳为材料损耗和结构损耗的协同。材料损耗包括MXene涂层引起的导电损耗、极化损耗（偶极极化和界面极化）以及Fe₃O₄颗粒带来的磁损耗。结构损耗则源于TPMS分级结构本身：入口层的大孔径和低电导率实现了良好的阻抗匹配，使电磁波高效进入；内部尺寸渐变的曲折孔道和巨大比表面积引发了强烈的多重散射和反射，极大延长了电磁波的传播路径并被反复衰减；底部的高导电层则将残余电磁波反射回吸收层进行二次耗散。这种梯度电导率耦合尺寸分级的构型，犹如一个“电磁波陷阱”，引导波深入、困住并系统性地耗散其能量。

环境稳定性与机械性能

所开发的结构在宽温域内展现出优异的环境稳定性。在零下80摄氏度到100摄氏度的温度范围内暴露长达120小时，其电磁屏蔽效能和吸收率均保持稳定。在200摄氏度下处理虽然因表面官能团和水分蒸发导致电导率变化，使屏蔽效能略有下降，但吸收率反而有所提升。热重分析表明，MXene涂层增强了聚合物骨架的热稳定性。此外，结构在高温高湿环境中也表现出良好的长期稳定性。

在机械性能方面，Gyroid TPMS结构本身具有良好的机械完整性。压缩测试表明，无论均匀还是分级结构，均表现出典型的弹塑性变形行为，具有可观的屈服强度。特别值得注意的是，尺寸分级结构（如10-2.5）的力学行为与小型单元均匀结构相似，表现出一致的稳健性，说明分级设计在优化电磁性能的同时并未牺牲其机械承载能力。循环加载测试也证实了结构在长期使用下的可靠性。

结论

这项工作成功地将材料特性与宏观结构设计相结合，制备出高性能的吸收主导型电磁干扰屏蔽体。通过耦合Ti₃C₂T_xMXene的梯度导电涂层、TPMS的尺寸分级结构以及Fe₃O₄的磁损耗，实现了对电磁波“诱导深入、多重耗散”的有效管理。最终获得的复合材料在X波段内实现了高达约0.96的吸收率和超过68分贝的总屏蔽效能，同时具备良好的机械性能和从零下80摄氏度到200摄氏度的宽温域稳定性。该研究为设计下一代高效、轻质、环境友好的电磁屏蔽材料提供了创新的思路和可行的技术方案。