北京理工大学何汝杰、李营课题组《AFM》：3D打印SiCw@MXene/SiOC太赫兹电磁屏蔽、隔热、电热转化多功能一体化超结构

太赫兹电磁波在成像、制导、通信、医疗及无损检测领域具有广阔应用前景，由此带来的电磁污染、电磁干扰问题日益显著，急需开发高性能的太赫兹波段电磁屏蔽器件。目前，前驱体转化陶瓷被成功应用于微波电磁波屏蔽领域，但对其太赫兹波段的屏蔽性能关注仍较少。一方面，下一代太赫兹电磁屏蔽器件 往往 具有复杂异形结构，而传统成形方式通常只能制备前驱体转化陶瓷的粉体、薄膜或简单块体，难以满足复杂器件制造要求，因此 3D 打印是解决该挑战的有效途径。另一方面，单一的前驱体转化陶瓷材料的太赫兹电磁屏蔽性能有限， 通过引入具有较强电磁波损耗能力的一维、二维材料对其改性，有望显著提升效能。此外，多功能集成是未来器件的发展趋势：在太赫兹屏蔽性能外，若器件能兼具防热、隔热等多功能，将能极大拓展其在极端服役环境（如极端寒冷或极端炎热环境等）下的应用空间。

近日， 北京理工大学何汝杰教授、李营教授团队采用静电自组装结合微立体光刻 3 D 打印技术，设计制造了一种 SiC _w @MXene/SiOC 极小曲面超结构，兼具优异的宽频段太赫兹波屏蔽性能、隔热性能 和 电热转化性能 。 发 展的 SiC _w @MXene/SiOC 超结构 在两方面表现出显著特性： 一方面，内部 1 D S i C 晶须和 2 D MX ene 静电自组装后形成包覆结构，与 Si OC 前驱体转化陶瓷复合后形成丰富异质相界面，从而极大提升了吸波能力；另一方面，极小曲面结构的构型设计进一步增加了电磁波在内部的反射，使其对 0 .2-1.6 TH z 宽频段太赫兹电磁波能够高效屏蔽。厚度 1.3-2.7 mm 时， 平均 电磁 屏蔽 效能达 58.6-66.4 dB 。此外，该超结构在室温和 300 ℃ 下 热导率仅为 0.23 和 0.39 W/m·K ，具有良好的隔热性能。并且该超结构还能在较低的输入电压下稳定产生焦耳热，实现电热转化，从而为极端环境下的多功能太赫兹电磁屏蔽器件发展与应用提供了可能。

相关研究成果以 “Self-assembly and 3D printing of SiCw@MXene/SiOC Metastructure toward Simultaneously Excellent Terahertz Electromagnetic Interference (EMI) Shielding and Electron-to-Thermal Conversion Properties” 为题发表在材料领域顶级期刊 《Advanced Functional Materials》 上。北京理工大学博士研究生苏茹月为第一作者，北京理工大学何汝杰教授和 李营教授为共同通讯作者。

图 1. 面投影 微立体光刻 3D 打印 Si C _w @MXene/SiOC 极小曲面超结构的制备工艺路线。

接下来，通过太赫兹时域光谱获得该结构在透射和反射模式下的时域谱图，经快速傅里叶变换得到频域图，提取光学参数后可以计算出 Si C _w @MXene/SiOC 超结构 在 0.2-1.6 THz 的透射率、反射率和吸收率。 结果表明，制备的 Si C _w @MXene/SiOC Gyroid 超 结构能够在不同胞元尺寸下实现对太赫兹波的有效屏蔽 。实际胞元尺寸约 2 77-584 μ m 时，超结构在 0.2-1.6 THz 频段内的 透射率 始终 <0.003% ，吸收率 >85% ， 反射率 <15% 。此外，模型 胞元 尺寸 2.5 mm （ 实际 尺寸约 473.6 μm ）时， 超结构在全波段内的 吸收率 始终保持在较高的水平，约 97.5-99.4% ，反射率仅 0.6-2.5% 。 屏蔽效能（ S E ）计算结果表明， Gyroid -2.5 的透射屏蔽效能（ SE _T ）为 55-106.5 dB