综述：电磁干扰（EMI）屏蔽气凝胶的最新进展：机制、材料及可扩展的制造方法

《Journal of Natural Fibers》：Recent Advances in EMI-Shielding Aerogels: Mechanisms, Materials, and Scalable Fabrication Methods

　　摘要

隨著緊湊型與高頻電子裝置的快速發展，尤其是穿戴式與攜帶式技術的普及，電磁干擾（EMI）已成為日益嚴重的問題。這些問題促使人們必須開發出多功能、實用且輕量的屏蔽材料。為解決這些問題，研究人員已探索了多種材料。其中，導電氣凝膠因其低密度、開放孔隙結構及可調控的架構而備受矚目，這些特性使其能夠克服傳統金屬與聚合物複合材料的限制。近期研究進展凸顯了氣凝膠生長技術的突破，以及能構築精密導電系統的絕緣基質開發，這些系統運用了碳奈米結構、MXenes、金屬、混合結構及電磁干擾屏蔽方案。本綜述系統性地探討了氣凝膠的結構設計與成分工程，及其電磁干擾屏蔽性能之間的關聯性。此外，本綜述特別強調導電氣凝膠在柔性電子學與環境保護領域的應用潛力，涵蓋其可擴展性、長期穩定性、永續製程、綠色大規模製造、機械疲勞抗性，以及結構-性能優化等面向。本綜述針對與快速演進的新一代電子技術相容的電磁干擾（EMI）屏蔽材料之發展，提供了及時且具前瞻性的觀點。

關鍵詞：電磁屏蔽（EMI）；導電氣凝膠；吸收損耗；梯度層；3D列印；定向凍乾

引言

氣凝膠由於其獨特的三維（3D）互穿結構、低密度及高內部孔隙率，成為電磁干擾（EMI）屏蔽的理想材料。與傳統固體基底不同，氣凝膠具有極大的表面积，能夠有效散射和吸收電磁（EW）波，因此非常適用於減弱敏感電子电路及其他複雜通信系統中的不必要電磁干擾。近期氣凝膠領域的進展促使研究人員放棄了傳統的二氧化硅基框架，轉而採用碳奈米材料、MXenes、導電聚合物及金屬成分等構建混合與導電結構。這些氣凝膠的優良性能源自其固有的孔隙率及電導性（Cheng等人，2023年；Chhetri和Kuila，2024年；L. Wang等人，2020年；C. Zhang等人，2025年）。

近年來，針對電磁干擾屏蔽的導電氣凝膠設計取得了快速進展。通過控制合成技術調節氣凝膠的結構，可以在氣凝膠基體中形成連通的導電通道。例如，溶膠-凝膠聚合反應可形成堅固的凝膠網絡，並注入石墨烯、碳納米管（CNTs）或金屬納米線等導電填料。定向凍乾技術可有序排列這些填料，大幅提升波的各向異性和衰減效率。化學還原方法可將氧化石墨烯（GO）等絕緣基質轉變為導電形式，通過恢復其多孔網絡中的共價結構實現這一轉變。此外，自組裝過程利用各種分子相互作用，形成層狀、多功能結構，有時還結合增材製造技術，實現宏觀和微觀尺度上的精確結構控制（Cheng等人，2023年；T. Li等人，2025年；J. Ma等人，2024年）。

這種合成靈活性的關鍵優點在於能夠調節氣凝膠複合材料的電導性、機械強度、柔軟性及界面相互作用。例如，引入混合導電填料可協同發揮反射、吸收及多次內部反射作用，從而大幅提升寬頻範圍內的電磁干擾屏蔽效果。通過優化填料含量及採用定向結構或核殼設計等策略，可在保持氣凝膠輕量特性的同時維持高屏蔽性能。與密度大的金屬基屏蔽材料相比，導電氣凝膠在節重、適應性和多功能性方面具有顯著優勢（Cheng等人，2023年；Chhetri和Kuila，2024年；Elsehsah、Noorden和Saman，2024年；J. Ma等人，2024年）。此外，先進的納米尺度表面能特性分析方法有助于理解和優化填料-基體界面相互作用；例如，原子力显微镜（AFM）和PeakForce定量納米力學映射（PeakForce QNM）分析顯示，表面能的差異與粉體基複合材料的分散性及機械性能密切相关（Ha等人，2025年；Ha等人，2024年）。

導電氣凝膠在屏蔽應用中的性能取決於其結構與性能的精確匹配。屏蔽效果來自材料導電表面的反射、多孔結構中的多次吸收及散射作用，某些情況下還包括鐵磁填料的磁損失。研究人員已證明，精心設計的石墨烯/MXene氣凝膠、CNT/聚合物複合材料及碳-金屬混合氣凝膠可在關鍵頻段（如衛星、雷達和無線通信頻段）實現超過商業標準的屏蔽效果（>40 dB）（Y. Liu等人，2023年）。目前仍需解決的可持續性挑戰包括可擴展的綠色合成方法、熱管理等多功能的整合，以及可回收或自適應型電磁屏蔽氣凝膠的開發。將合成技術與微觀結構及電導性、熱穩定性等性能直接聯繫起來，推動了這個領域的持續發展。本綜述聚焦於下一代電磁干擾屏蔽材料的先進技術，全面評估了各種合成方法及其對屏蔽效果的影响，並指出了未來研究方向。

導電氣凝膠中的電磁干擾衰減機制

電磁屏蔽涉及反射、吸收及多次內部反射等複雜過程，每個過程都受到屏蔽材料本質特性和結構的影響（Hareesh等人，2025年；Iqbal等人，2021年；Choi、Qaiser和Hwang，2024年；Suryaprabha等人，2026年）。反射（SER）通常是電磁屏蔽的第一道防線。當電磁波遇到空氣（自由空間）與屏蔽材料（如金屬、MXenes或先進碳納米網絡）的界面時，會產生強烈的阻抗不匹配，導致大量入射能量被反射回來。表面電子對振動的電磁場產生反向電流，形成次級電磁場。反射的屏蔽效果可通過以下公式表示：

$$
SER dB = -10 \log_{10} \sigma_T \frac{1}{\omega \epsilon_0 \mu_r}
$$

其中，$\sigma_T$ 是總電導率，$\omega$ 是角頻率，$f$ 是頻率，$\epsilon_0$ 是自由空間的介電常數，$\mu_r$ 是相對於自由空間的磁導率（Hareesh等人，2025年）。隨著屏蔽材料的電導率（$\sigma_T$）或磁導率（$\mu_r$）增加，其阻抗降低，反射作用減弱。反射效果主要取決於兩者對數比，與屏蔽材料厚度無關。雖然反射能阻擋初始入射波，但若無吸收作用，仍可能產生二次輻射（Aswathi等人，2018年；Iqbal等人，2021年；J. Liu等人，2023年）。

吸收（SEA）涉及進入屏蔽材料的電磁波能量耗散過程。電磁波在材料中傳播時，能量通過不同損耗機制轉化為熱能：導電相中的歐姆（電導）損耗、極化相中的介電極化損耗以及磁填料中的磁共振損耗（Song等人，2025年；C. Zhang等人，2025年）：

a) 欧姆損耗：電磁場在導電相中產生微電流，通過電阻耗散能量，與電導網絡的連續性、密度及入射波的振動頻率成正比。這些激發的載流子（電子）在材料中產生熱能。

b) 介電損耗：電磁波的電場分量在材料中轉化為熱能，主要通過導電、極化和磁共振等機制。這些機制使材料的極化與外加電場同相，產生複數介電常數的虛部，導致吸收作用占主導地位（Song等人，2025年）。

c) 磁損耗：加入磁填料（如鐵氧體、氧化鐵和钴納米粒子）會通過磁共振、自旋弛豫和渦流損耗增加能量轉換。高頻下這些損耗較大，多個磁域和表面會增加電磁能與熱能的轉換效率。通過調節界面密度和氣凝膠基體內相的分布，可大幅提升屏蔽性能（Song等人，2025年）。

吸收屏蔽效果的數學表達式為：

$$
SEAdB = -20 \log_{10} \frac{t}{\delta} = -8.68 \frac{\sigma_T \omega \mu_r}{2}
$$

其中，$t$ 是屏蔽材料厚度，$f$ 是頻率。該公式表明吸收效果與屏蔽材料磁導率（$\mu_r$）和電導率（$\sigma_T$）的乘積的平方根成正比（Hareesh等人，2025年；Iqbal、Sambyal和Koo，2020年；J. Liu等人，2023年；Song等人，2025年）。

多次內部反射（SEM）發生在電磁波進入材料後遇到多個界面（如孔隙、層或粒子）時。每次界面都會重新散射和部分反射電磁波，增加有效傳播路径和最終吸收的概率。這對具有大界面面積的氣凝膠、泡沫和層狀複合材料尤其重要。理論上，多次內部反射可表示為：

$$
SEM dB = 20 \log_{10} \left(1 - e^{-2t/\delta}\right)
$$

在輕質或薄屏蔽材料中這一效果較為顯著，但當吸收損耗超過10 dB時，內部能量迅速被吸收，反射作用減弱（Hareesh等人，2025年；Iqbal等人，2021年；Iqbal、Sambyal和Koo，2020年）。

總屏蔽效果（SET）是上述三種機制的綜合：

$$
SET = SER + SEA + SEM
$$

特定屏蔽效果（SSE）及其按厚度歸一化值（SSE/t）是評估電磁屏蔽性能的重要指標，尤其是對超輕氣凝膠而言，可排除密度和厚度影響，實現不同材料系統間的有意義比較。SSE（dB?cm3/g）計算公式為：

$$
SSE = SE \rho
$$

其中，$SE$ 是總屏蔽效果（以分貝計），$\rho$ 是材料密度（g/cm3）。該指標反映了單位重量的電磁屏蔽效率，對氣凝膠等輕質材料尤为重要。

SSE/t（dB?cm2/g）通過屏蔽材料厚度進一步歸一化SSE值：

$$
SSE_t = SE \rho \cdot t
$$

這一值可直觀比較不同材料的面積特定屏蔽效果，對實用性強的薄膜或空間受限應用尤为關鍵（Song等人）。2025年的一项研究（Citation2025）对最先进的气凝胶的关键组成和电磁干扰（EMI）屏蔽效率进行了简洁的概述，详见表1。表1展示了2022至2025年间具有代表性的EMI屏蔽气凝胶的基准数据。通过设计复合和纳米结构材料，如导电气凝胶、石墨烯/MXene泡沫、碳纳米管（CNT）-聚合物混合物或分层多孔结构，研究人员能够精细调节反射和吸收的屏蔽效果。高度多孔且相互连接的结构延长了电磁波的传播路径，促进了多次散射，从而提高了总体EMI屏蔽效果，即使在低密度情况下也是如此。实际应用中的材料不仅需要在相关频率范围内具有高屏蔽效率（通常目标是SET > 20 dB，即99.99%的衰减），还需要具备轻质、机械强度高和多功能性，以适应下一代可穿戴设备的需求。在这方面，基于反射、吸收和内部散射相互作用的EMI屏蔽机制理解对于先进屏蔽材料的合理设计和合成至关重要（Hareesh, Joseph, and George Citation2025; Iqbal, Sambyal, and Koo Citation2020; Shi et al. Citation2025）。图1(a)展示了EMI屏蔽通过材料内部的反射、吸收和多次内部反射来阻挡不需要的电磁波的工作原理。屏蔽性能主要取决于材料的导电能力和能量吸收能力。图1(b)解释了当电磁波照射到表面时会发生什么：部分波被反射，部分被吸收，其余部分可能穿透材料，这些图表展示了屏蔽材料如何实际减少电磁干扰。

导电气凝胶的合成与制备
溶胶-凝胶法是一种湿化学过程，其中分子起始材料（通常是金属醇盐或盐）在溶液中水解并缩合，形成胶体悬浮液，逐渐组装成具有三维几何形状的连续凝胶结构。然后可以去除液体并对固体进行热处理，以形成具有可控组成、纳米结构和孔隙率的金属氧化物或混合物。Pisarek等人报告了一个涉及复杂决策的典型例子，他们研究了使用乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）制备的气凝胶的结构稳定性。他们的工作解释了前体成分的选择、双交联（通过硅氧烷和碳链）的使用以及老化过程的精确控制，从而直接控制了凝胶结构、光学透明度、干燥收缩率和体积密度等关键属性。通过改变溶剂（甲醇和正丁醇）并调整老化温度，作者实现了对质量损失、体积收缩和孔径的精细控制，这些对于热绝缘和轻质缓冲应用至关重要（Pisarek et al. Citation2025）。类似地，El-Cheikh等人通过环氧辅助的溶胶-凝胶方法合成了纳米多孔ZnO/SiO2气凝胶，使得锌和二氧化硅在室温下共凝胶化，从而制备出具有可控孔结构、结晶度和热稳定性的混合气凝胶。通过系统地改变锌前体和氯离子浓度，该团队制备出了从蓬松的热稳定气凝胶到坚固的陶瓷状干凝胶的各种材料。这种多功能性突显了溶胶-凝胶化学在工程化混合金属氧化物框架方面的潜力，这些框架具有可控的孔结构、结晶度和热行为（El-Cheikh et al. Citation2025）。这些研究共同强调了溶胶-凝胶化学和凝胶后处理的微妙调整如何深刻影响气凝胶的组成、微观结构和整体性能，进一步凸显了溶胶-凝胶方法在先进气凝胶设计中的重要性。

真空冷冻干燥法
真空冷冻干燥（冻干）通过冻结孔隙中的液体然后在低压下使冰升华来去除湿凝胶中的溶剂，从而避免液-气界面。由于大大减少了毛细应力，原始孔结构得以保留，形成低密度、高孔隙率的固体（通常称为冷冻凝胶或气凝胶），这些固体比简单蒸发干燥过程中的收缩和裂纹要小得多；然而，传统的冻干气凝胶常常存在脆性、收缩和结构坍塌的问题。为了解决这些问题，Ma等人改进了真空冷冻干燥技术，成功制备出了无裂纹的超疏水整体二氧化硅气凝胶。他们的方法首先通过溶胶-凝胶反应形成交联的二氧化硅网络，然后进行受控冷冻，以调节冰晶生长并确定最终的孔结构。真空冷冻干燥通过升华去除溶剂，从而消除了通常会损坏凝胶结构的毛细应力。所得气凝胶具有均匀的孔隙率、改进的机械完整性和优异的防潮性能，克服了传统冻干方法中的微裂纹问题（Y. Ma et al. Citation2025）。Zhu等人开发了一种节能的聚合物基气凝胶冷冻干燥工艺，简化了这一过程。研究人员将间同立构聚苯乙烯（sPS）溶解在合适的溶剂中，使其老化以形成网络，然后进行冷冻干燥，避免了早期sPS气凝胶工艺中所需的复杂溶剂交换步骤。这种快速冷冻和升华的方案生产出低密度、高孔隙率的气凝胶，并显著减少了时间和能耗。这些进展表明，冷冻干燥已成为生产高性能二氧化硅和聚合物气凝胶的越来越实用的方法，适用于热绝缘、分离和轻质包装应用（T. Zhang et al. Citation2025）。

Qiao等人提出了一种仿生方法，基于牛瘤胃（一种具有分层折叠网络的天然过滤装置）的宏观结构，制备了聚酰亚胺（PI）/碳纳米管（CNT）气凝胶。研究人员结合定向冷冻干燥和形态生成处理技术，再现了这些复杂的层次化折叠结构，从而得到了具有核心辐射宏观通道、瘤胃型微观折叠和纳米级CNT桥的气凝胶。这种多尺度结构使得电磁波的耗散路径异常长，提供了高达71 dB的优异EMI屏蔽效果，同时具有机械强度高、泊松比负值以及500次压缩循环后高度保持率90%的特点。这项工作展示了如何通过仔细采用生物原型，并结合更先进的化学和加工策略，创造出满足航空航天和可穿戴设备特定需求的气凝胶，平衡了耐用性、热稳定性和多功能屏蔽性能（Kim and Byun Citation2024）。

超临界干燥
超临界干燥用另一种流体（通常是CO2或酒精）替代孔隙中的液体，然后将温度和压力提高到流体的临界点以上，此时液体和气体之间的区别消失。随后去除超临界状态下的流体，以消除毛细力，从而制备出无裂纹、超轻且孔隙率和表面积极高的气凝胶，尽管需要更复杂的高压设备。这项初步工作专注于通过溶胶-凝胶技术与超临界干燥相结合的方法制备二氧化硅气凝胶，如图2(a)所示。在此过程中，首先使用TEOS等前体通过溶胶-凝胶反应制备二氧化硅凝胶，然后通过老化过程进一步增强凝胶，接着进行水和乙醇之间的超临界干燥和溶剂交换，最后用液态CO2替换乙醇。系统被加热到CO2的临界点（31.1°C, 73.9 bar）以上，从而在不引起毛细压力的情况下去除溶剂，避免破坏凝胶的多孔结构。所得气凝胶具有高度透明性和非常开放的中孔结构以及均匀的密度。Blaszczynski等人指出，精确控制老化时间和溶剂交换步骤对于保持纳米级孔结构至关重要，确保超临界干燥始终能产生低密度、高表面积的二氧化硅气凝胶，这些性能对于热绝缘和工程应用至关重要（B?aszczyński, ?losarczyk, and Morawski Citation2013）。图2(a)展示了通过溶胶-凝胶法结合超临界干燥制备UO2气凝胶的过程（W. Wang et al. Citation2025），(b)展示了常压干燥的示意图（Zhan et al. Citation2024），(c)展示了3D打印LGA过程的示意图（H. Guo et al. Citation2022），(d)展示了冷冻干燥的示意图（Y. Li et al. Citation2025）。

Basak等人将这一概念扩展为使用超临界干燥作为制备来自多糖和蛋白质的生物气凝胶的绿色可持续方法。超临界CO2干燥优于传统的空气干燥和冷冻干燥，因为它能最小化孔隙塌陷并保持高孔隙率和表面积，这对生物活性负载和油/水吸收非常重要。作者解释说，该过程首先通过溶胶-凝胶化学形成水凝胶，然后进行溶剂交换，用水替换乙醇，最后在超临界CO2下干燥。所得生物气凝胶具有高的结构完整性和低的热导率，适用于食品包装和生物医学应用。这项研究还强调了生物聚合物浓度在决定气凝胶机械强度方面的作用，并强调了优化溶剂交换动力学以实现可扩展生产的重要性。他们的环境评估表明，超临界干燥比其他干燥方法更节能且对材料结构损伤更小（Basak and Singhal Citation2023）。

常压干燥
常压干燥（APD）是在正常大气压下直接干燥湿凝胶的过程，而不是通过超临界干燥或冷冻干燥（如图2(b)所示）。在APD中，首先对溶胶-凝胶进行表面改性（或修改溶剂）以减少毛细应力，然后在受控的温度和压力下蒸发溶剂，使多孔骨架在干燥过程中不发生坍塌，从而实现更便宜和可扩展的气凝胶生产。Zhu等人描述了一种使用工业固体废物作为主要二氧化硅来源的二氧化硅气凝胶制备创新技术。合成过程从溶胶-凝胶反应开始，将污泥与NaOH反应并加热以提取二氧化硅，随后进行离子交换以去除杂质并调节pH值以实现凝胶化。所得湿凝胶在水中老化以增强其网络。干燥前用水替换乙醇，然后再用己烷替换，这两种低表面张力的溶剂可以减少蒸发过程中的毛细力并防止孔隙塌陷。一个关键的改进是使用了硅烷化步骤（使用三甲基氯硅烷（TMCS）或六甲基二硅氮烷（HMDS）），将二氧化硅凝胶中的亲水-OH基团替换为疏水的-CH3基团。这种改性不仅在常压干燥过程中保持了多孔网络，还防止了设备腐蚀。通过系统优化硅烷化剂的比例和热处理条件，制备出了高孔隙率和热绝缘性的气凝胶。这项研究表明，常压干燥可以利用低成本、可持续的原材料生产高质量疏水二氧化硅气凝胶，实现可扩展生产（L. Zhu et al. Citation2018）。

为了解决基于纤维素的气凝胶的收缩和结构退化问题，Tang等人（Citation2025）开发了一种物理化学交联策略。该方法首先构建纳米纤维素水凝胶，然后进行仔细的修改和溶剂交换。与某些起始材料不兼容的酒精溶剂不同，他们的方法使用定制的交联剂和交换协议，保持了网络完整性，并在干燥过程中关键地保持了孔结构。通过仔细控制溶剂替换（用水替换低表面张力有机溶剂）、pH值和离子强度，该方法实现了约10%的收缩率，同时不损害孔隙率（高于95%）或体积密度（低于50 mg cm?1）。该过程快速、无损且可扩展到大量生产，适用于生产用于热绝缘、吸剂和轻质复合材料的气凝胶。这项工作强调了常压干燥在制备可持续生物聚合物基气凝胶方面的灵活性和日益重要的作用（Tang et al.）。引用2025)。3D打印技术已成为精确塑造胶体气凝胶的强大工具，正如Gu等人所强调的那样。该技术涉及制备一种剪切稀化的MXene-聚合物墨水，其中Ti3C2Tx（含有Fe3O4和Ag纳米线，嵌入CaCl2交联的CMC基质中）是主要的导电元素。通过使用3D直接墨水书写技术沿着编程好的路径挤出这种墨水，可以制造出蜂窝状晶格气凝胶。打印路径、层堆叠和35%的填充密度能够选择性地控制纤维分离、孔结构以及各向异性。在打印出湿态结构后，通过交联和干燥过程来保持其结构，从而形成具有连续导电网络的超轻质多孔气凝胶。当MXene含量调整到40%重量百分比，并且3D设计的晶格压缩到60%的应变时，导电路径之间的接触会增加，这种结构能够提供大约80 dB的优异电磁干扰（EMI）屏蔽效果，该效果可以通过对结构施加应变来进行调节（Y. Zhang等人引用2025）。正如Yan等人所展示的，使用熔融沉积建模（FDM）进行3D打印，并结合后浸渍碳纳米管（CNT）的梯度涂层，可以制造出低反射率的EMI屏蔽支架。这种设计和制造方法最初采用了三周期最小表面（TPMS）类型的晶格，通过FDM 3D打印实现了70%的孔隙率，从而得到了轻质且机械强度高的高能量吸收聚合物支架。随后对打印出的TPMS应用了单片层压浸渍工艺，在保持结构完整性的同时，在整个厚度上实现了CNTs的受控梯度分布。最终得到了一个梯度导电的3D打印支架（如图2(c)所示），其沿电磁波传播方向的CNT含量逐渐增加，具有非常低的反射功率系数（约0.13）和约35.9 dB的EMI屏蔽效果，这是结构化TPMS 3D打印与梯度CNT沉积的直接结合（Chongyang等人引用2025）。图2突显了不同加工工艺对最终气凝胶结构和性能的影响。

用于EMI屏蔽的各种气凝胶复合材料类型：

基于碳纳米材料的气凝胶：
碳基材料是一类重要的EMI屏蔽介质，因为它们具有高电导率、低质量密度和强大的电磁衰减性能，而这些特性难以通过传统金属或简单聚合物实现。它们的导电性可以系统地进行调节，无论是绝缘性的sp2石墨层、高导电性的1D CNTs还是2D石墨烯片层，这使得它们能够匹配自由空间的阻抗，使入射波能够在其中耦合并耗散，而不是被完全反射。因此，在屏蔽过程中主要发生吸收作用，从而减少了二次辐射。此外，碳泡沫、气凝胶和复合结构具有较大的比表面积和界面接触，有利于多次散射事件和界面极化损失；因此，即使在较低的填料负载下也能增强衰减效果。碳基材料固有的特性，如耐腐蚀性、化学稳定性以及易于制造成柔性、薄型或复杂形状，使得它们在便携式电子设备、可穿戴产品和航空航天应用中不可或缺，因为传统金属屏蔽会导致过大的质量或机械刚性问题。

基于CNT的气凝胶：
CNTs因其一维导电网络、高长径比和较大的比表面积而独特（Pyo等人引用2022）。它们的管状和纳米级结构在相对较低的负载下促进了连续的电子传输网络的形成，并显著增加了导电损失和入射电磁波的反射。CNT壁上的大量界面和结构缺陷进一步导致了界面极化和极化松弛，当电磁波穿过CNT网格时会产生多次散射和高介电损失。CNTs的频率依赖性交流电导率以及在吉赫兹频率下的相对较小skin depth（穿透深度）使其更适合吸收电磁能量而不是反射。结合其低密度和机械强度，这些电学和界面特性使得CNT网络比轻质吸收基EMI屏蔽薄膜、泡沫和气凝胶更为有效。Zhao等人首次展示了一种层压结构工程技术，可以生成具有致密多孔结构和优选取向的独立CNT基气凝胶薄膜（如图3(a)所示）。这些薄膜具有惊人的341.9 m2/g的比表面积、8540 S/m的超高电导率以及超过200,647.9 dB·cm2/g的绝对屏蔽效率（SSE/t），同时具有连续的导电路径、可调的润湿性和出色的焦耳加热性能——这是实现轻质、高性能EMI屏蔽和可穿戴加热的优雅途径（C. Fu, Sheng, 和 Zhang引用2022）。基于这一概念，Chen等人开发了一种分层碳纳米结构，通过微波加热自组装的海胆状碳纳米纤维（CNFs），将其嵌入PEDOT:PSS离子聚合物基质中，然后进行冷冻干燥，形成超轻质气凝胶。CNF@CU（Carbon Urchin）气凝胶在X波段提供了-50.8 dB的EMI屏蔽效果（99.999%的阻挡率），并结合了导电性、界面极化和偶极极化损失，同时还具有阻燃性和对蓝牙信号的有效阻挡效果，仅添加了1.7%的添加剂（如图3(c)所示（Bose等人引用2023）。2024年，Liang等人报道的可扩展CNT纱线层压复合材料显示出优于传统碳纤维增强聚合物（CFRP）的性能，其比拉伸模量超过两倍，具有相似的比拉伸强度，以及显著更高的平面内热导率（75.78 W/mK）和纵向电导率（5359 S/cm）。它们的EMI屏蔽效果在X波段超过了100 dB，几乎是CFRP的两倍，这表明CNT层压材料在机械、热学、电学和电磁学方面具有同时优化的潜力（Evers等人引用2024）。图3：a) 可以通过三维纤维网络形成ANF/CNT气凝胶薄膜。通过定向压缩，可以生成层压结构；经过碳化处理后，可以获得具有致密纤维层和层压结构的CNT基气凝胶薄膜，以及层间的孔重构（C. Fu, Sheng, 和 Zhang引用2022）；b) 具有核心辐射结构和牛胃状形态的气凝胶的设计原理和制造工艺（Qiao等人引用2025）；c) CNF@CU/PEDOT:PSS/PU气凝胶的屏蔽机制（Bose等人引用2023）。

最近，Martinez等人采用了一种形态发生冷冻干燥技术，制备了具有三轴分层结构的聚酰亚胺/CNT气凝胶，例如核心辐射的宏观结构、类似牛胃的微观褶皱和纳米级尺寸的CNT桥，从而延长了电磁波的耗散路径（如图3(b)所示）。这些气凝胶具有71 dB的高EMI屏蔽效果，比效率为6470 dB·cm2·g?1，并且在500次压缩循环后仍保持90%的高度，显示出卓越的适应性、机械稳定性和耐热循环性。总的来说，这些发展集中在定制的微纳结构和协同组合物以及可扩展制造方法的物理和化学原理上，以生产打破传统权衡的CNT气凝胶，为超轻质、多功能结构和保护系统开辟了新的机会（Qiao等人引用2025）。

基于石墨烯的气凝胶：
石墨烯也以其极高的内在电导率、较大的比表面积和2D共轭结构而闻名，这些特性使其能够与电磁波高效相互作用（Xiang等人引用2022）。平面原子片层容易在薄膜、泡沫和气凝胶中形成连续的导电网络，为感应电流提供低电阻的导电通道，并在空气屏蔽界面处产生高反射。同时，高密度的缺陷位点、表面官能团（在氧化石墨烯或还原石墨烯的情况下）以及高表面与体积比（高缺陷密度）促进了界面极化和极化松弛，从而在电磁波通过石墨烯时产生介电损失和吸收。当作为3D多孔结构（如石墨烯气凝胶、泡沫或层压结构）构建时，相互连接的孔和曲折的路径允许多次内部反射和传播距离，即使是在低密度的材料中也能实现以吸收为主的屏蔽效果。在文献中，添加了氧化石墨烯（GO）来增强气凝胶结构（图4a），保持低密度（0.074–0.185 g/cm3），并抑制收缩。这类气凝胶表现出高度各向异性的绝缘性能、低径向热导率（0.038 W/mK），当含有高浓度的GO时，还具有显著的电导率（0.77 S/cm）和高达54.6 dB的EMI屏蔽能力。整个过程简单且环保，生产出的气凝胶在绝缘和EMI屏蔽方面表现出色（Jiang等人引用2022）。基于这一概念，Gao等人制备了超稳定的面对面堆叠石墨烯气凝胶，非常适合在严苛条件下的实际EMI屏蔽应用。超轻质石墨烯气凝胶（GA）（3.7 mg cm?3）在1 mm厚度下展示了64.1 dB的巨大屏蔽效率，以及173,243 dB·cm2·g?1的出色特定EMI屏蔽效率（图4b）。这种坚固的堆叠结构即使在受到机械变形、极端温度、火焰暴露和水环境的影响下也能保持高水平的屏蔽性能（E. Zhu等人引用2023）。2022年，Liu等人开发了一种环保的高性能方法，通过单向冷冻聚酰胺铵盐/氧化石墨烯（PAS/GO）悬浮液，然后进行冻干、热酰亚胺化和氧化，制备出轻质、各向异性的碳/石墨烯复合气凝胶。所得气凝胶具有管状、定向的孔结构，减少了体积收缩并产生了低密度（0.074–0.185 g/cm3）。添加氧化石墨烯提高了结构的完整性，提供了各向异性的热绝缘性能，径向热导率为0.038 W/mK?1。含有20 phr GO的复合材料表现出优异的电导率（0.77 S cm?1）和高电磁干扰屏蔽效果（54.6 dB），表明这是一种可持续的生产高性能碳气凝胶的方法（Jiang等人引用2022）。Zhang等人引入了一种基于乳液的灵活方法，通过形成GO、聚酰胺（PAA）和十八烷基胺的Pickering乳液，制备出超轻质、弹性且高导电性的石墨烯气凝胶。所得气凝胶具有微米级的紧密孔结构、热诱导的纳米皱纹和来自PAA衍生的碳的分子级桥接，这些特性共同提高了结构完整性。这些多尺度特性使得可以制造出超低密度（约3.0 mg/cm3）、高电导率、优异的热绝缘性能、高EMI屏蔽效果（75.0 dB）、90%的应变压缩性和出色的疲劳抵抗性的气凝胶。此外，它们的凝胶状乳液特性使得可以编程3D打印超轻质石墨烯支架，为先进的轻质和超弹性石墨烯气凝胶提供了通用方法，具有有前景的EMI屏蔽应用（Y. Zhang等人引用2024）。2024年，Feng等人开发了一种超弹性石墨烯/聚酰亚胺纤维/CNT复合气凝胶（G-PI@F20/CNT），克服了纳米材料基气凝胶中高界面密度和疲劳抵抗之间的典型权衡。它在极端温度（-196至160 °C）下保持超弹性，并能承受90%的压缩应变循环，且不可逆变形小于5%。多孔网络有效抑制了声子传导，导致热导率低（0.0313 W m?1 K?1）。在电磁波吸收方面，该气凝胶在4.1 mm厚度时实现了12.48 GHz的有效吸收带宽，在20.3 mm厚度时实现了超宽带（15.24 GHz）的吸收，最小反射损失为-43.49 dB。这些结果展示了一种设计超弹性、热绝缘和高性能EMW屏蔽气凝胶的多功能策略（Yue等人引用2025）。Han等人提出了一种异质碳堆叠技术，用于制备全碳3D混合气凝胶（rGO-CNT-VG），以改性环氧树脂。组分之间的共价键合和分层结构增强了电荷传输和界面极化，从而有效衰减了电磁波。因此，该复合材料表现出更好的EMI屏蔽性能（56.65 dB）和2.46 W m?1 K?1的热导率，优于传统的rGO/环氧复合材料。这项工作强调了通过精确调节碳基复合材料来控制微观结构对于多功能性能的重要性，具有强大的热管理和EMI屏蔽潜力（Han等人引用2023）。2023年，Du等人设计了一种3D CNT/石墨烯气凝胶薄膜（CGAF），其结构类似于天然叶片，其中CNTs包裹在石墨烯中，类似于叶脉和叶肉。3D结构将SET提升到了26.6 dB，超过了压缩空气凝胶和不含碳纳米管（CNT）的空气凝胶的性能。这种结构不仅主要反射电磁波，还促进了多次内部反射和吸收，从而提高了衰减效率。按质量计算的特定屏蔽效能（SEMA）为12,091 dB·cm2·g?1。一种含有聚二甲基硅氧烷（PDMS）的多层CGAF在8.2 GHz时的SET为74.7 dB，并且在经过100次弯曲循环后仍保持45.6 dB的SET，显示出优异的柔韧性和耐用性，同时其性能超过了工业要求（H. Liu等人，引用2022年）。Gu等人报道了一种超轻、环保的基于棉纳米纤维素的多孔碳气凝胶，能够同时实现红外（IR）和雷达隐身。他们设计了一种3D大孔系统来平衡热辐射控制（IR隐身）和电磁波衰减（雷达吸收）。该气凝胶在3–5 μm波段的红外发射率为0.56，在8–14 μm波段的红外发射率为0.52，最小反射损耗为-19.8 dB，最大有效吸收带宽为4.64 GHz，覆盖了X波段和Ku波段，并部分延伸到C波段。数值雷达截面模拟表明其雷达截面（RCS）显著降低到了15.86 dB·m2，证实了其降低雷达探测能力的效果。总体而言，这项研究表明，基于生物质的轻质多孔碳气凝胶可以作为红外-雷达兼容的隐身材料，并为多频段伪装材料提供了可持续的路径（Gu等人，引用2024年）。

基于MXene的气凝胶利用其金属级别的导电性、二维层状结构以及表面化学特性，形成了高效的电磁波衰减通道（Zaed等人，引用2024年）。MXene的极高导电性和可变的表面官能团（-OH、-O和-F）在空气-屏蔽界面产生了巨大的阻抗差异，促进了反射，并在体相介质中产生了强烈的电损耗和界面极化。在低密度下，当MXene片层堆叠成三维多孔结构或混合气凝胶（通常与石墨烯、聚合物或空心球结合）时，会形成交织的层状或蜂窝状框架，增加了多种内部反射和协同的介电/磁损耗，使得屏蔽效率轻松达到70–80 dB以上，同时实现了非常高的SSE和SSE/t值。此外，MXene可以通过溶液处理和打印技术制备，适用于柔性基底，能够制造出超薄、可变形和多功能的外电磁干扰（EMI）屏蔽材料，适用于下一代可穿戴设备、航空航天和高频电子应用（J. Fu等人，引用2025年）。

Liu等人提出了一种3D打印（直接墨水书写）策略，用于制造轻质、刚性的MXene/GO气凝胶（SMGAs），这些气凝胶具有可调的电磁波吸收性能。尽管MXene具有高导电性并能够耗散电磁波，但其高反射率导致了阻抗不匹配，限制了其吸收效率。为了解决这个问题，SMGAs的类似 fret（吉他品丝）的结构设计通过改变结构宽度实现了最大-61.2 dB的反射损耗差异。这些气凝胶在14.05 GHz频率范围内展示出了宽且可调的有效吸收带，覆盖了C波段、X波段和Ku波段。它们分层的、对齐良好的3D结构具有高机械刚性和出色的抗压能力，能够承受自身重量36,000倍的负载而不会发生明显变形。有限元分析证实了这种结构层次有效地分散了应力。总体而言，这项研究展示了一种高效、可扩展的方法，用于制造可调的、轻质的基于MXene的电磁波吸收器，同时具有高机械强度（X. Liu等人，引用2023年）。

基于这一概念，Wu等人描述了一种常压干燥（APD）方法，用于快速、节能且可扩展地生产大面积、多功能的气凝胶，这些气凝胶含有聚脲和过渡金属碳化物/氮化物。通过利用自发泡、浸涂和氧化石墨烯辅助交联技术，这些气凝胶具有低密度、高机械强度和显著的超柔韧性，包括可拉伸性和弹性导电性。坚固的弹性细胞壁与定制的多孔结构的协同作用使得它们能够高效吸收高频机械冲击波，性能优于塑料、陶瓷和金属等传统材料。APD MXene气凝胶在4–40 GHz范围内表现出强大的宽带微波屏蔽能力（超过40 dB，如图5(c)所示），并且具有优异的氧化稳定性，适用于极端环境。此外，它们强大的光吸收能力还转化为高效的光热转换、抗菌作用、水净化和油吸收功能，从而扩展了其在航空航天工业、设备保护和下一代电子产品中的应用范围（Zheng等人，引用2024年）。

Qi等人报道了用于宽带吸收主导的EMI屏蔽的多功能不对称双层气凝胶。这些气凝胶是通过依次打印MXene-GO（MG）层和导电MXene层，然后冷冻干燥形成多尺度多孔结构来制备的。顶层的MG层通过匹配阻抗和二次吸收进行了优化，平均在X波段的吸收系数达到了0.95，在8.24–30 GHz频率范围内具有可调的吸收性能。模拟结果证实了双层配置在促进电磁波衰减方面的有效性（如图5(b)所示）。此外，这些气凝胶还具有疏水性、热绝缘性、焦耳加热、太阳能热/电加热、红外隐身和良好的油清洁等多功能性，展现了广泛的应用潜力（Qi等人，引用2025年）。

Subramanian等人展示了一种基于焦耳加热驱动的PDMS交联方法来增强MXene气凝胶的性能，如图5(a)所示。在这种方法中，超快电压脉冲将PDMS固化成准定向的3D MXene骨架上的薄层，能够在几秒钟内调整PDMS的含量，同时保持低密度和内部孔隙率。所得到的MXene-PDMS气凝胶（JPM）轻质、机械强度高、疏水性强且非常简单，与传统的PDMS填充MXene气凝胶相比具有更高的多功能性。它表现出极高的单位密度和厚度下的绝对EMI屏蔽效率（SSE/t ≈ 17,752 dB·cm2·g?1），在仅4 V电压下就能迅速升温至>200°C，同时作为极其敏感的应变传感器，能够测量人类运动甚至极微弱的振动（Deb等人，引用2024年）。

基于金属的气凝胶由金属纳米颗粒或纳米线（如银或铜）组成。金属本身是优良的导体，这些气凝胶能够有效阻挡或吸收电磁波，即使在非常低的厚度和密度下也能提供高屏蔽效果（Kefeni和Mamba，引用2020年）。Wang等人通过将磁性FeCo合金纳米颗粒涂覆在基于纤维素的气凝胶上，制备了一种低成本的电磁波吸收器（如图6(a)所示）。首先，Fe2?和Co2?离子被纤维素水凝胶吸附，然后经过水热处理和冷冻干燥生成CoFe?O?气凝胶，再经过煅烧生成FeCo修饰的纤维素碳气凝胶（FeCo@CCA）。水热处理增强了FeCo纳米颗粒在整个多孔碳网络中的均匀分布，这些特性共同改善了阻抗匹配，并引入了强的介电和磁损耗。气凝胶的层次孔隙结构还促进了入射电磁波的额外反射和散射，从而增强了衰减效果。优化金属离子浓度显著提高了电磁波吸收效果；在100 mmol/L（FeCo@CCA -100）浓度下，该材料在9.84 GHz频率下的反射损耗（RL）为49.5 dB，厚度为4.05 mm，有效吸收带宽为10.88 GHz，覆盖了整个X波段和Ku波段的一部分以及C波段的一部分。总体而言，这项研究展示了一种可持续的设计方法，使用基于纤维素的气凝胶实现高效电磁波吸收（Y. Guo等人，引用2022年）。

最近，Shen等人利用天然木材作为3D模板，合成了轻质的磁性金属负载的木质-碳气凝胶复合材料（FeCo@WCA、Fe@WCA和Co@WCA），结合了电磁屏蔽和微波吸收功能。这些复合材料通过溶热法将金属有机复合物原位负载到气凝胶骨架上，木材的层次多孔结构促进了电磁波的多次反射和散射，而金属纳米颗粒则增强了磁损耗和阻抗匹配。所有复合材料的EMI屏蔽性能均超过了60 dB，最小反射损耗约为-50 dB，表明了以吸收为主的行为（如图6(b)所示）。此外，这些复合材料还表现出高电热转换效率、快速的温度响应和热稳定性，为高性能的木质基碳气凝胶在电磁屏蔽和吸收任务中的应用提供了可持续的途径（Shen等人，引用2025年）。

Liu等人进一步展示了基于SiC@碳纳米线的气凝胶的进展，他们发现3D打印结合类石墨烯碳沉积技术适用于航空航天级别的EMI屏蔽。所得气凝胶具有1.581 MPa的抗压强度、46.230 MPa的杨氏模量（大约是常规材料的50–60倍），以及38.39 dB的高EMI屏蔽能力和666.53 dB·cm3·g?1的高特定EMI性能。这些显著特性归因于层次设计与SiC@碳纳米线网络之间的协同作用，为下一代航空航天和汽车系统的轻质且机械强度高的EMI防护材料奠定了基础（P. Guo等人，引用2024年）。

高导电性填料（如金属粉末、MXene和碳材料）广泛用于制造高性能EMI屏蔽的多孔气凝胶；然而，它们的固有刚性往往导致机械不匹配和基体内部的界面应力失效，这限制了其长期耐用性，仍然是柔性屏蔽系统的主要挑战。近年来，基于液态金属（LMs）的合金，特别是基于镓（Ga）的合金，由于具有高导电性、流动性和能够与柔软网络同步变形的能力，为可穿戴设备的EMI屏蔽应用提供了有希望的替代方案。与刚性填料不同，液态金属能够在应变下最小化应力集中并保持稳定的电导路径。此外，基于镓的液态金属在超声处理下可以生成自由基，实现原位聚合和无需外部引发剂的离子交联结构。这些独特的机械和化学优势使液态金属成为下一代柔性且耐用的EMI屏蔽气凝胶的变革性填料。Xu等人制备了一种Al?O?@LM/硼砂交联PVA（Al?O?@LM/BCP）气凝胶，具有优异的EMI屏蔽能力。通过机械研磨在PVA基质上涂覆Al?O?壳层，降低了液态金属的高表面张力。该气凝胶具有高电导率（312.5 S/m）、高EMI屏蔽效率（80.9 dB）和高吸收比（SEA/SET为83.9%），从而提供了一种高效且简单的柔性、高性能EMI屏蔽材料的制备方法（Chen等人，引用2025年）。

基于形状记忆效应的液态金属/聚酰亚胺/芳纶纳米纤维（LPA）复合气凝胶可以在电磁吸收和屏蔽之间切换。这种材料解决了电磁吸收需要高介电和导电损耗的问题，而电磁屏蔽通常依赖于反射和阻挡，这两者在单一系统中难以结合和调节。LPA气凝胶通过压缩重构多孔结构并重新配置液态金属网络来连续调节电导率。由于其形状记忆效应，它可以在大约20–40%的压缩应变下反复切换，显示出良好的重复性和可逆性。其整体EMI屏蔽效率在50–80%的高应变下约为28.21 dB，优于大多数当前的智能EM材料，后者通常具有单一或较少可调的应用范围（S. Wang等人，引用2025年）。

表2总结了文献中报道的代表性气凝胶及其EMI屏蔽性能。

未来展望：导电气凝胶的EMI屏蔽主要通过吸收机制实现：入射波在空气/气凝胶界面部分反射，然后在高度多孔的导电3D网络中通过欧姆损耗、异质界面处的极化损耗以及沿曲折路径的多次内部反射被衰减，最终将电磁能量转化为热量或微电流。石墨烯/MXene/碳气凝胶的超高性能孔隙率（通常>99%）、交织的导电骨架以及可调的阻抗显著降低了表面反射率，促进了“吸收-反射-再吸收”的过程，这一过程目前受到下一代低污染电磁干扰（EMI）屏蔽技术的关注。从方法论的角度来看，现有的冷冻干燥、超临界干燥、定向冷冻以及湿法纺丝或纤维组装等方法在调控孔隙率和吸收路径方面非常有效，但这些方法能耗较高，且难以应用于具有精确梯度的大型或复杂三维结构。最近关于导电填料-集成水凝胶（CFHs）及其衍生气凝胶的研究表明，通过控制凝胶化学性质（双网络结构、离子交联和共价交联）、导电聚合物的原位聚合以及异质界面工程（例如聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）：聚苯乙烯磺酸盐（PSS）、碳网络上的聚苯胺），可以制备出具有优异韧性和自修复能力的连续导电路径。然而，将这些化学技术成功应用于厚实、整体化的气凝胶或薄膜仍具有挑战性。

因此，导电气凝胶的未来发展正朝着结构与方法的结合方向前进，即通过3D打印、纤维气凝胶、梯度浸渍等制造方法来精确控制导电性、不对称性和层次化孔隙结构，以实现以吸收为主、反射率低的屏蔽效果。例如，由MXene/CNT、碳纳米纤维或生物质衍生碳纤维制成的纤维气凝胶和打印晶格结构，能够合理设计“吸收-反射-再吸收”的路径，并整合热绝缘、焦耳加热和传感等多种功能。在水凝胶-气凝胶层面，高影响力的研究建议将CFHs与定向冷冻、离子触发或光触发凝胶化以及溶剂交换策略相结合，以减少干燥应力，从而制备出具有弹性、抗疲劳性的导电气凝胶，使其更适合用于可穿戴设备和结构型电磁屏蔽。

未来的关键技术将集中在：（i）可编程加工技术（如离散界面沉积/熔融沉积/纤维组装，以实现可控的梯度和各向异性）；（ii）稳健的界面设计（导电聚合物外壳、异质界面及磁介电复合材料）以稳定网络结构并调节阻抗；（iii）集成测试和建模，以关联加工参数与电磁屏蔽性能。为了使导电气凝胶屏蔽材料成为下一代电子设备和5G/6G基础设施中实用且轻量化的低反射解决方案，实现从实验室规模化学技术到可规模化生产的转化至关重要，例如连续挤出纤维气凝胶、低温干燥技术以及适用于大型部件的工艺。

总之，气凝胶类型与其制备方法之间的匹配度是开发下一代电磁屏蔽材料的关键。本综述系统地表明，气凝胶的组成和加工过程不能被视为独立的部分来追求最佳的电磁屏蔽性能和多功能性。石墨烯、MXene、碳纳米管、金属纳米线、聚合物复合材料或纤维素气凝胶不仅取决于其组成材料，还取决于特定合成方法所赋予的结构设计。例如，通过控制冷冻干燥制备的金属纳米线气凝胶具有高机械强度和导电性，其在电磁屏蔽性能（SE和SSE/t）方面创造了新纪录，并且密度极低。通过化学还原或先进增材制造技术制备的石墨烯气凝胶具有可调节的层次化孔隙结构，能够通过多次内部反射和可变极化损失实现高效屏蔽。这些效果只有通过精心设计的溶胶-凝胶工艺、定向冷冻或3D打印技术才能实现，每种技术都会引入独特的有益微观结构。相对评估表明，最佳电磁屏蔽性能的气凝胶是那些导电填料或基体的选择与加工策略高度匹配的样品。例如，通过定向组装和冷冻干燥结合MXene纳米片和纳米纤维素，可以平衡导电性和柔韧性；而仿生或3D打印结构则适用于可穿戴和柔性电子设备，以最大化性能和兼容性。值得注意的是，这种新型屏蔽材料采用基于吸收的原理，重量轻且多功能，正逐渐取代传统的金属反射器，转向可持续、可拉伸的材料，以覆盖宽频谱范围。

总之，先进的电磁屏蔽技术不能仅通过选择最佳性能的气凝胶或现有技术来实现，而是需要一种整体的设计理念，从一开始就综合考虑材料选择、加工方法和最终应用。填料化学的进一步发展以及层次化、可扩展的3D制造技术，不仅将带来高效的电磁屏蔽效果，还将为下一代产品提供实用的选择。材料化学、加工科学与应用工程之间的跨学科合作对于充分发挥气凝胶基电磁屏蔽材料的潜力至关重要。

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