磁辅助3D打印生物仿生支架，用于高性能电磁干扰（EMI）屏蔽：具有低反射率、高机械强度和优异的导热性能

《Materials Science and Engineering: R: Reports》：Magnetic-assisted 3D printed bioinspired scaffold for high-performance EMI shielding with low reflection, high mechanical robustness, and excellent thermal conductivity

5G技术推动下，本研究通过仿生学设计，利用磁辅助多材料3D打印技术制备出梯度多层复合材料（BGCS），其独特的梳状微结构实现了65dB高电磁屏蔽效能与0.26低反射率，同时具备98.1MPa压缩强度和587.4J/m3抗冲击性能，热导率显著提升，有效解决了传统屏蔽材料机械强度与二次辐射污染的矛盾，为5G基站、数据中心等设备提供高性能解决方案。

　　本研究致力于解决第五代通信技术（5G）快速发展所带来的电磁干扰（EMI）屏蔽材料需求。随着电子设备的微型化和高度集成化，系统级封装的电子组件变得更加密集，导致电磁环境日益复杂。因此，迫切需要一种兼具高屏蔽效能、低反射率、高机械强度和优异热导率的先进EMI屏蔽材料。然而，目前的材料往往难以同时满足这些性能要求，特别是在提升屏蔽效能和热导率的同时，往往会牺牲机械性能。

研究团队受到蝴蝶翅膀鳞片的启发，设计并制造了一种梯度多层复合支架结构。这种结构借鉴了蝴蝶鳞片的梳状微结构，以其鲜明的结构色、良好的热导率和机械性能而闻名。通过采用自主研发的磁辅助多材料3D打印系统，研究人员成功地在支架中引入了定向排列的石墨微片，并在各层中实现了纳米级零价铁（NZVI）含量的梯度变化。这种设计不仅提高了材料的电磁屏蔽能力，还有效降低了反射率，同时增强了机械强度和热导率。

研究发现，该复合支架的屏蔽效能达到了65 dB，反射率仅为0.26，显著优于许多传统材料。此外，其压缩强度高达98.1 MPa，韧性为587.4 J/m3，均超过了现有大多数EMI屏蔽材料的性能指标。同时，该支架还表现出良好的热传导性能，能够在20秒内实现80℃的温度变化，这使得它在需要高效热管理的电子设备中具有广泛的应用前景。该材料的优异性能使其在5G基站模块、数据中心服务器和航空航天电子设备等领域具有重要的应用价值。

为了实现这些性能的提升，研究团队采用了多种材料和技术手段。首先，石墨微片因其良好的导电性、高强度、低成本和轻质特性而被选为主要成分。为了增强其磁响应性，研究人员对石墨微片进行了表面功能化处理，使其能够与纳米级零价铁结合。纳米级零价铁因其高磁渗透率和低矫顽力，对于实现低反射率的EMI屏蔽性能至关重要。此外，研究团队还引入了CTAB和PEG等材料，以优化支架的微观结构和性能。

在制造过程中，研究人员利用磁辅助3D打印技术，通过施加外部磁场对磁性功能化的微片进行精确定向排列。这种技术允许在多个长度尺度上构建复杂的结构，从而实现材料的多层梯度分布。通过调整磁场的旋转方向，可以实现微片在局部区域的定向排列，进而影响支架的电磁性能和机械性能。该技术提供了极大的设计自由度，使研究人员能够根据不同的应用需求，灵活调整材料的组成和结构。

研究表明，这种仿生设计的复合支架能够同时增强电磁波的吸收和散射，从而显著降低反射率。同时，其梳状微结构有助于提高材料的机械强度和热导率。在实际应用中，这种材料可以有效防止电磁波的二次污染，确保电子设备的正常运行。此外，其良好的热管理能力使其能够在高温环境下保持稳定的性能，这对于需要长时间运行和高散热要求的设备尤为重要。

研究团队还对材料的性能进行了系统的测试和分析。通过使用多种测试方法，包括电磁屏蔽效能测试、反射率测量、机械强度测试和热导率测试，研究人员验证了该复合支架的综合性能。测试结果表明，该材料在多个关键性能指标上均优于现有的EMI屏蔽材料，具有广阔的应用前景。

该研究不仅为EMI屏蔽材料的设计提供了新的思路，也为其他功能材料的开发奠定了基础。通过模仿自然界的结构，研究人员能够创造出具有优异性能的复合材料，这为未来的材料科学和工程研究提供了重要的参考。此外，该研究还展示了3D打印技术在复杂结构制造中的巨大潜力，特别是在多材料和多尺度结构的构建方面。

在应用方面，这种新型EMI屏蔽材料可以广泛应用于5G通信设备、数据中心服务器和航空航天电子系统等高集成度的电子设备中。在这些领域，电子设备的密集排列和复杂的电磁环境对EMI屏蔽材料提出了更高的要求。而该材料的优异性能使其能够满足这些需求，提供更可靠和高效的解决方案。

研究团队还强调了这种材料的可持续性和环保性。由于其采用了3D打印技术，能够实现材料的精确控制和高效利用，从而减少材料浪费和能源消耗。此外，石墨和纳米级零价铁均为可再生资源，这使得该材料在环保和可持续发展方面也具有优势。

总的来说，这项研究通过仿生设计和先进的制造技术，成功开发出一种兼具高屏蔽效能、低反射率、高机械强度和优异热导率的新型EMI屏蔽材料。这种材料不仅解决了传统EMI屏蔽材料在性能上的局限性，还为未来电子设备的防护提供了新的可能性。研究团队的创新成果有望在多个领域得到广泛应用，推动相关技术的发展和进步。