轻质三维打印孔基复合材料：实现卓越的电磁干扰屏蔽性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Lightweight three-dimensional-printed hole-based composites towards excellent electromagnetic interference shielding performance

通过3D打印技术制备了具有宏观孔结构的碳纳米管/聚乳酸复合材料，系统研究了孔结构（如立方孔、不对称孔）对电磁屏蔽效能的影响。实验表明，不对称孔结构（单侧开口）在75.19 dB的屏蔽效能下实现107.72 dB·cm3/g的具体屏蔽效能，同时保持低密度和环境稳定性。该研究为轻量化电磁屏蔽材料的理性设计提供了理论依据。

　　近年来，随着无线通信和电子设备的快速发展，电磁辐射污染问题日益严重，成为影响环境和人类健康的重要因素之一。为应对这一挑战，电磁干扰（EMI）屏蔽材料的研究受到了广泛关注。传统的金属材料因其优异的导电性在EMI屏蔽领域占据主导地位，但其高密度、易腐蚀、成本高昂以及加工困难等缺点，限制了其在现代电子工程中的广泛应用。因此，寻找具有优异EMI屏蔽性能且密度较低的替代材料成为研究热点。

在众多候选材料中，导电聚合物复合材料（CPCs）因其成本低廉、耐腐蚀性强以及易于加工等优势，被认为是实现EMI屏蔽的理想选择。然而，大多数聚合物本身具有良好的绝缘性，对电磁波的穿透性较强，这使得其在EMI屏蔽方面表现有限。为克服这一局限，研究者们通过引入导电填料，如石墨烯、MXene、碳纤维和碳纳米管（CNTs）等，来增强复合材料的导电性能。其中，CNTs因其独特的高长径比、优异的导电性和良好的环境稳定性，成为EMI屏蔽材料研究中的重要方向。

尽管CNTs在EMI屏蔽方面具有显著优势，但其在复合材料中的高填充量通常会导致材料的机械性能下降以及结构不稳定。因此，如何在保持良好导电性的同时，避免填料的过度聚集和材料性能的恶化，成为提升EMI屏蔽效果的关键问题。近年来，结构设计被广泛认为是提高EMI屏蔽性能的有效策略。通过优化材料的微观结构，可以增强电磁波在材料中的传播路径，从而实现更好的电磁波衰减和整体屏蔽效果。

在这一背景下，研究者们开始探索宏观孔结构对EMI屏蔽性能的影响。孔结构不仅能够有效降低材料的密度，还能减少材料的使用量，同时通过改变电磁波的传播路径来增强屏蔽效果。然而，传统的孔结构制造方法在控制孔的尺寸和分布方面存在一定的局限性，难以实现高度精确的结构设计。为此，三维（3D）打印技术作为一种具有高度设计自由度和材料利用率的先进制造手段，被引入到EMI屏蔽材料的开发中。

3D打印技术，尤其是挤出式打印（FDM），因其操作简便、成本较低和可重复性好，被广泛应用于复合材料的制备。FDM技术通过逐层沉积材料，能够实现对复合材料结构的精确控制，从而设计出具有特定孔结构的材料。例如，研究人员利用FDM技术制备了具有网格、蜂窝、金字塔和方形等微结构的Fe3O4功能化石墨烯-聚合物纳米复合材料，显著提升了其EMI屏蔽性能。此外，通过设计不同的微结构，如波浪形、三角形、网格形、砖形和六边形排列，研究人员也成功制备了具有优异EMI屏蔽效果的石墨烯/聚乳酸（PLA）复合材料。

基于上述研究背景，本研究通过3D打印技术制备了具有宏观孔结构的CNT/PLA复合材料，以期在实现高效EMI屏蔽的同时，兼顾材料的轻量化特性。研究首先通过设计不同尺寸的立方孔结构，探讨了孔径与孔间距比例（Dc）对EMI屏蔽性能的影响。结果表明，当Dc高于0.56时，EMI屏蔽效果显著增强，达到40.85 dB，远高于均质结构的35.14 dB。随后，研究进一步优化了孔结构的截面设计，构建了多种非对称孔结构，其中一侧开放、另一侧封闭的结构表现出最佳的EMI屏蔽性能。特别是，采用镰刀形截面的3D CNT/PLA复合材料，其EMI屏蔽效果达到75.19 dB，能够有效屏蔽超过99.999997%的入射电磁波。这种结构设计不仅提高了屏蔽效率，还显著降低了材料密度，从而实现了优异的特定屏蔽效率（107.72 dB·cm3·g?1）。

此外，本研究还评估了CNT/PLA复合材料在酸性和碱性环境下的稳定性，结果显示材料在这些条件下表现出良好的耐受性，说明其在实际应用中具有较高的环境适应能力。这种稳定性对于电子设备在复杂环境下的长期使用至关重要，尤其是在高温、高湿或化学腐蚀环境中，材料的性能衰减会直接影响其屏蔽效果。

本研究通过系统地调控3D打印CPCs的孔结构，为实现高效、轻质的EMI屏蔽材料提供了新的思路。与传统的制造方法相比，3D打印技术能够更加灵活地设计和控制材料的结构，从而满足不同应用场景下的需求。例如，在需要高屏蔽性能的领域，如航空航天、军事电子设备和智能穿戴设备中，采用非对称孔结构的CNT/PLA复合材料可以有效减少材料的使用量，同时保持优异的屏蔽效果。而在对材料稳定性要求较高的环境中，如工业自动化和医疗设备，这种复合材料同样表现出良好的适应性。

从材料科学的角度来看，孔结构的引入不仅改变了复合材料的物理特性，还对其电磁行为产生了深远影响。通过合理设计孔的形状、大小和分布，可以实现电磁波在材料中的多重反射、吸收和散射，从而提高整体的屏蔽效率。特别是，非对称孔结构能够有效捕获入射的电磁波，使其在材料内部多次反射，增加电磁波的衰减路径，从而提升屏蔽效果。这一发现为未来设计高性能EMI屏蔽材料提供了重要的理论依据和实践指导。

本研究的成果不仅拓展了3D打印技术在EMI屏蔽材料中的应用，也为导电聚合物复合材料的结构优化提供了新的视角。通过深入研究孔结构对EMI屏蔽性能的影响，研究人员能够更准确地预测和调控材料的屏蔽特性，从而推动高性能、轻量化EMI屏蔽材料的开发。此外，该研究还为其他类型的导电复合材料提供了借鉴，表明通过结构设计可以显著提升其性能，而无需依赖高填充量的导电填料。

在实际应用中，这种新型的3D CNT/PLA复合材料可以用于多种场景，包括但不限于通信设备、电子仪器、建筑结构和交通工具的电磁防护。其轻量化特性使得材料在需要减少重量的应用中更具优势，例如在便携式电子设备和无人机等轻型设备中。同时，材料的优异屏蔽性能和环境稳定性也使其适用于高要求的工业和军事领域。未来，随着3D打印技术的不断进步和材料科学的深入发展，这种复合材料有望在更多领域得到应用，并进一步优化其性能。

本研究还强调了结构设计在材料性能提升中的重要性。通过精确控制孔结构，研究人员能够实现对电磁波传播路径的优化，从而提高材料的屏蔽效率。这种结构调控方法不仅适用于CNT/PLA复合材料，也可以推广到其他导电复合材料的制备中，为开发新型EMI屏蔽材料提供了广阔的空间。此外，研究结果还表明，通过合理的结构设计，可以在不牺牲材料性能的前提下，实现材料的轻量化，这对于推动电子工程向更环保、更节能的方向发展具有重要意义。

综上所述，本研究通过3D打印技术成功制备了具有宏观孔结构的CNT/PLA复合材料，并系统地探讨了孔结构对EMI屏蔽性能的影响。研究结果表明，通过优化孔的尺寸、形状和分布，可以显著提升材料的屏蔽效果，同时实现轻量化。这种材料不仅在EMI屏蔽方面表现出色，还具有良好的环境适应性，为未来高性能、轻质EMI屏蔽材料的开发提供了新的方向和思路。随着对材料结构与性能关系的进一步理解，3D打印技术有望在EMI屏蔽材料领域发挥更大的作用，推动相关技术的创新与应用。