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更新时间：2025-03-14
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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着，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，有望显着提升效能。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，将能极大拓展其在严峻服役环境（如极寒冷或极炎热环境等）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3D打印技术，设计制造了一种SiCw@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SiCw@MXene/SiOC超结构在两方面表现出显着特性：一方面，内部1D SiC晶须和2D MXene静电自组装后形成包覆结构，与SiOC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 THz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，从而为严峻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SiCw@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SiCw@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SiCw@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277-584 μm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（SE）计算结果表明，Gyroid-2.5的透射屏蔽效能（SET）为55-106.5 dB，反射屏蔽效能（SER）始终<0.2 dB，SEA曲线与SET基本重合。以上结构表面该超结构在0.2-1.6 THz的超宽频段内都表现出很强的电磁屏蔽能力，其电磁屏蔽机制以电磁波吸收为主。
图2. SiCw@MXene/SiOC Gyroid超结构的太赫兹电磁屏蔽性能。
对Gyroid-2.5超结构的隔热性能进行研究，将其置于加热台表面，设置加热台温度分别为80、120、180 °C，最终样品表面温度分别稳定在53.8、85.3、124.6 °C，与加热台表面温度相比分别降低了20.9、33.1、40.2 °C，表明超结构具有较好的隔热能力。进一步测试超结构在常温和高温下的热导率，其在25、200、300 °C下热导率低至0.23、0.36、0.39 W/m·K。
图3. SiCw@MXene/SiOC Gyroid超结构的隔热性能。
研究者进一步探索了Gyroid-2.5的电热转化性能（焦耳热效应）。通过导线将超结构与DC电源连接，在输入电压分别为2、3、4、5 V时，通过热电偶记录样品的表面温度。随着输入电压增大，超结构表面温度明显升高。在2 V输入电压下，超结构的表面温度在76 s内稳定在30.1 °C；输入电压增加到3、4和5 V后，其表面温度迅速升高，达到饱和温度所需的时间也逐渐变长，在149.5、169.1、320 s后，表面温度分别稳定在41.7、54.6、75.5 °C左右。此外，当输入电压关闭时，样品的表面温度迅速冷却到室温。该结构能够在较低的驱动电压下通过电热转化产生热量，并且通过调节输入电压大小可以实时调控其表面温度，此外，在长时间工作时1 h后该结构依旧能够稳定产生焦耳热。
图4. SiCw@MXene/SiOC Gyroid超结构电热转化性能。
总结与展望：
该研究开发的SiCw@MXene/SiOC Gyroid-2.5超结构实现了宽频太赫兹电磁屏蔽、隔热与电热转化的多功能集成。有望在严峻环境太赫兹电磁屏蔽器件中获得应用，例如暴露于极寒冷环境中，由于其具有焦耳热效应，可以在较低的输入电压下用作电加热器，并且通过调节输入电压控制发热温度；在极炎热环境中时，由于该结构的低导热性和优异电磁屏蔽性能，可以在屏蔽电磁波的同时阻碍外界热量传递到电子设备。该工作为严峻环境太赫兹电磁屏蔽器件提供了新的研究思路与应用可能。
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