基于熔融沉积建模的SMaRT堆叠技术：实现最大绿色指数的多层电磁干扰屏蔽优化方法

本文提出了一种创新的SMaRT堆叠方法，通过熔融沉积建模（FDM）技术制备聚乳酸（PLA）/多壁碳纳米管（MWCNT）复合材料的多层电磁干扰（EMI）屏蔽结构。研究采用灰箱建模技术，建立了材料介电性能与填料浓度的关系模型，并优化出10层（4mm厚）X波段吸收主导型屏蔽结构的最佳堆叠顺序。该方法突破了传统试错法的局限，实现了屏蔽效能（SE）25dB时吸收/反射比（A/R）≈100的突破性性能，为绿色EMI屏蔽材料的设计提供了系统化解决方案。

　　

电磁干扰屏蔽材料的创新设计

引言

现代社会中电磁（EM）波无处不在，从移动通信到医疗设备都依赖其传输。然而电磁干扰（EMI）可能造成设备故障甚至健康风险。传统金属屏蔽主要通过反射机制工作，但会产生二次电磁污染。聚合物基不对称吸收主导型"绿色"EMI屏蔽材料成为研究热点，其核心指标是吸收/反射比（A/R）和屏蔽效能（SE）。当前研究主要采用双层或多层结构，但缺乏系统化的层序优化方法。

理论框架

当电磁波遇到材料时，会发生反射、吸收和传输三种相互作用。多层介质结构中，每层材料的复相对介电常数ε和复相对磁导率μ决定了这些相互作用的程度。通过建立包含M层的模型，可以计算各层的特征阻抗η和界面反射系数ρ。前向场E_i,+^f和后向场E_i,-^f的传播遵循特定规律，最终得到反射系数Γ^f（S₁₁参数）和传输系数T^f（S₂₁参数）。

优化方法

研究提出通过灰箱建模学习材料的介电性能。首先建立参数化的ε和μ函数，然后通过最小化模型预测与实测数据的相对误差来优化参数。采用basin-hopping算法解决这一非凸优化问题。在获得材料性能模型后，通过优化框架确定使A/R最大化的层堆叠顺序，同时满足最低SE要求。对于离散材料选项，采用两阶段方法：先求解连续区间最优解，再在邻近离散选项中进行暴力搜索。

实验结果

使用PLA/MWCNT纳米复合材料，制备了0-10wt%的系列样品。热分析显示所有复合材料在190°C打印温度下质量损失小于2%。流变测试表明0.5wt%样品在频率低于8.5rad/s时表现出渗流网络特征。通过105个样品的训练数据集，建立了ε与填料浓度的二次关系模型。优化得到的10层（4mm厚）屏蔽结构展现出非凡性能：25dB屏蔽时A/R≈100，30dB时A/R≈3.2，35dB时仍保持A/R≈1。这些性能显著优于传统的均匀屏蔽和线性梯度结构。

创新制造与表征

采用多喷头熔融沉积建模（FDM）技术精确制备多层结构。显微观察显示层间界面清洁无孔隙，MWCNT在PLA基体中分散良好形成网络结构。仿真与实测结果对比验证了优化设计的有效性，特别是在12GHz附近实现了近乎完美的阻抗匹配（相对阻抗≈1），解释了超高A/R的物理机制。

结论与展望

这项工作突破了传统EMI屏蔽材料设计的局限，通过系统化优化实现了吸收主导型高性能屏蔽。该方法不仅适用于增材制造，还可拓展至其他制造工艺如压缩成型和涂层技术。未来研究可探索更多材料体系和更复杂的层序设计，为电磁防护领域开辟新的可能性。这项研究的重要意义在于提供了一种普适性的材料设计方法学，可应用于压电复合材料、多层闪烁体等多个领域。