3D打印碳基电磁屏蔽模块：轻量化与高性能的完美结合

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3D打印碳基电磁屏蔽模块：轻量化与高性能的完美结合

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科学网

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随着5G乃至6G等无线通讯技术的快速发展，电磁辐射污染问题日益严重。传统的金属基电磁屏蔽材料存在高密度、高刚度、难成型及潜在的二次辐射污染等缺陷，难以满足电子元件小型化、集成化的需求。针对这一问题，广西大学和四川大学的研究团队提出了一种创新的解决方案：通过3D打印技术制备碳基共形电磁屏蔽模块，实现了轻量化、高性能的电磁屏蔽效果。

研究背景

5G乃至6G等无线通讯技术的发展极大促进了国防科技进步与日常生活便利。然而，无线电磁波在传播过程所引起的电磁辐射污染问题，已是现阶段通讯系统维护与人体健康保障面临的重大难题，发展电磁屏蔽材料与器件是解决电磁辐射污染的关键途径。通常，传统金属基电磁屏蔽材料是实现电子元件电磁防护的重要组件，其通过模具制造成型，并集成、组装至电子元件内部，从而实现电子元件的电磁兼容。但金属基材本身存在高密度、高刚度、难成型及潜在的二次辐射污染等缺陷，一定程度制约着其广泛应用。同时，传统金属屏蔽件的集成往往需占据电子设备内部的额外空间，难满足电子元件小型化、集成化的应用需求。因此，研究新型多样化、高性能的电磁屏蔽结构，更好实现集成电子的电磁防护目标，将极大促进电磁屏蔽组件在多场景电磁环境下的发展与应用。

3D打印碳基电磁屏蔽模块的创新设计

研究团队采用3D打印技术，成功制备了一种高性能的碳基电磁屏蔽模块。该模块具有以下三个显著特点：

可3D打印的高碳基功能油墨：通过精细调控油墨流变性能，制备了含碳量高达80%的功能油墨。这种油墨以纤维素（CNF）为胶粘剂，通过引入石墨烯（Gr）和碳纳米管（CNT）功能粒子，实现了油墨流变性能的精准调控。
轻量化与高性能兼具：3D打印制备的电磁屏蔽支架具有超轻质特性（密度仅为0.076 g/cm³），同时展现出优异的电磁屏蔽性能（61.4 dB）。这种支架不仅能够有效阻挡电磁波，还具有极低的电磁波透过率（<0.0001%），比屏蔽效率高达800 dB·cm³/g⁻¹。
一体化制备新思路：研究团队提出了一种全新的3D打印一体化制备共形电磁屏蔽模块的方法。通过将3D打印支架与电子封装材料相结合，成功实现了在电子元件上的集成应用。

关键技术突破

功能性油墨的制备：研究团队开发了一种可3D打印的Gr@CNT功能油墨。通过精细调控油墨流变性能，实现了油墨的剪切变稀、触变性和适当的屈服模量，使其能够打印出结构复杂的支架。这种油墨具有适宜的流变学特性，包括剪切变稀、触变性和适当的屈服模量，可打印出多结构的支架。

支架结构设计：3D打印成型的全填充（FI）和全错位（FM）支架结构都具有良好的结构保真度，有利于实现共形结构的成型。此外，支架上密集分布着人造多孔结构，赋予支架材料轻质特性的同时，也有利于电磁波的进入。

电磁屏蔽性能：Gr和CNT功能粒子在支架内部形成高效的导电网络，使得支架在X波段区域展现出优异的电磁屏蔽性能。其中，FI-G₂C₃样品的最佳SE值高于60 dB，远远超过了商用SE标准（20 dB）。与相同Gr@CNT配比的FI样品相比，FM样品的电磁干扰SE值略微下降，但SSE性能显著提高。

应用前景

将3D打印成型的c-SE支架与封装材料相结合，组装成c-SE模块，以实现在集成电子器件中的EMI屏蔽应用。在加载c-SE支架后，电磁辐射强度从1366.86 μW cm⁻²下降到0 μW cm⁻²，多次循环检测验证了支架电磁辐射防护的可靠性。此外，还评估了该支架在2.0~6.0 GHz频率范围内的商用波段的屏蔽性能，屏蔽值高于30 dB，远远超过商用SE标准（20 dB）。c-SE模块具有比常规封装材料更好的散热效率，这主要归功于电磁屏蔽模块内部的Gr@CNT网络的高效热传导。纯封装材料和c-SE模块在相同预设环境下的热耗散行为模拟结果也与实验结果一致。