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       電磁干擾屏蔽（EMI SE）模塊是現(xiàn)代電子設(shè)備的核心組件。然而，傳統(tǒng)的金屬基屏蔽模塊在電子設(shè)備內(nèi)部占據(jù)不可或缺的三維空間，成為電子設(shè)備集成化的主要障礙。本文將3D打印共形屏蔽（c-SE）模塊與包裝材料集成到核心電子器件上，為在不占用額外空間的情況下實(shí)現(xiàn)理想的屏蔽功能提供了無(wú)限可能。本文精心配制了含有石墨烯和碳納米管納米粒子的3D打印功能性墨水，通過(guò)操控其流變性能，制造出了具有超輕結(jié)構(gòu)（0.076 g/cm³）和高效電磁干擾屏蔽性能（61.4 dB）的3D打印框架。特別地，3D打印的c-SE模塊與電子器件原位集成，成功替代了傳統(tǒng)金屬基模塊，為電磁兼容和熱耗散提供了多重功能。因此，這項(xiàng)科學(xué)創(chuàng)新完全彌補(bǔ)了碳基c-SE模塊組裝的空白，并為開(kāi)發(fā)具有任意定制結(jié)構(gòu)的下一代高性能屏蔽材料照亮了道路。
      物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)加速了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，這依賴于毫米級(jí)電磁波（EMWs）來(lái)實(shí)現(xiàn)高級(jí)電子信息的傳播和交互。隨著5G或未來(lái)6G無(wú)線通信技術(shù)的廣泛普及，電磁波為國(guó)家創(chuàng)新和日常生活帶來(lái)了巨大便利，廣泛應(yīng)用于智能傳感、導(dǎo)航定位、衛(wèi)星通信、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域。然而，電磁波產(chǎn)生的不良電磁輻射因其對(duì)電子安全和人類健康的潛在危害而引起了廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的金屬基屏蔽材料因其高密度、難以成型和潛在的環(huán)境污染等問(wèn)題，限制了其實(shí)際應(yīng)用。因此，采用新材料和設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)是促進(jìn)多場(chǎng)景電磁環(huán)境中EMI SE材料發(fā)展的關(guān)鍵要求。
 
 
圖1 不同配比Gr@CNT功能墨水的流變性能‌
a) 可3D打印Gr@CNT功能墨水原理示意圖及其在集成電子中的潛在應(yīng)用場(chǎng)景。
b) 復(fù)數(shù)粘度(η*)隨振蕩剪切速率(ω)的變化曲線。
c) 在0.01 s?¹和10 s?¹交替剪切速率載荷下的η*變化。
d) 儲(chǔ)能模量(G')和損耗模量(G")隨振蕩剪切應(yīng)力的變化趨勢(shì)。
e,f) 具有超輕質(zhì)與高強(qiáng)度特征的2D圖案及3D結(jié)構(gòu)實(shí)物照片。
 
 
圖2 采用G2C3墨水打印的全填充（FI）與全失配（FM）框架的形貌表征‌
a,b) FI與FM模型的3D打印原理示意圖
c,d) 樣品表面（左）及截面（右）結(jié)構(gòu)的掃描電鏡（SEM）圖像
e,f) FM樣品的高分辨率SEM圖像
 
 
‌圖3 不同Gr@CNT配比3D打印FI與FM框架的電磁屏蔽效能（EMI SE）特性‌
a) X波段頻率范圍內(nèi)的EMI SE性能曲線
b,c) 平均EMI SE及比屏蔽效能（SSE）數(shù)值
d,e) FM框架的電磁參數(shù)（總屏蔽效能SE_total、吸收損耗SE_A、反射損耗SE_R）與趨膚深度（δ）
f) 雷達(dá)圖對(duì)比本研究FM框架與文獻(xiàn)報(bào)道屏蔽材料的關(guān)鍵性能參數(shù)（輕量化/高強(qiáng)度/適配性）
（注：圖中對(duì)比材料參見(jiàn)表S3，ANF：芳綸納米纖維，PU：聚氨酯，Cs：碳基納米復(fù)合材料，CF：碳泡沫，NR：天然橡膠，PLA：聚乳酸，PYC：熱解碳，GN：石墨烯納米片，EP：環(huán)氧樹(shù)脂）
（e圖插圖為電磁波耗散至e^-1能量示意圖）
 
 
‌圖4 不同Gr@CNT配比3D打印FM框架的電熱性能‌
a) 電熱能量轉(zhuǎn)換原理示意圖
b) 3V固定電壓下的焦耳熱效應(yīng)性能
c,d) FM-G2C3框架在0.5-2.5V多級(jí)輸入電壓下的焦耳熱響應(yīng)曲線，及平衡溫度隨輸入電壓平方(U²)變化的線性擬合
e) FM-G2C3框架在0.5-2.5V階梯電壓加載下的實(shí)時(shí)溫度響應(yīng)（插圖為典型紅外熱成像圖）
f) 1.0V與2.5V固定電壓多次循環(huán)測(cè)試中FM-G2C3框架的溫度穩(wěn)定性26
g) FM-G2C3框架在1.0V/2.5V電壓下持續(xù)10小時(shí)的電熱穩(wěn)定性（插圖為典型紅外熱成像圖）
 
 
‌圖5 用于集成電子器件的3D打印保形電磁屏蔽（c-SE）模塊‌
a) 在核心電子器件上3D打印c-SE模塊的工藝示意圖
b) 傳統(tǒng)金屬基模塊、拆解狀態(tài)下的核心電子元器件及3D打印c-SE模塊的模型與實(shí)物對(duì)照?qǐng)D
c) 加載金屬基模塊/c-SE模塊前后電磁波（EMWs）輻射強(qiáng)度的可視化對(duì)比
d) c-SE模塊加載前后的輻射強(qiáng)度循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試
e) c-SE模塊在2.0-6.0 GHz頻段的電磁屏蔽效能（EMI SE）
f,g) 純封裝材料與集成c-SE模塊封裝材料的紅外熱成像圖（反映電子器件散熱輔助效果）及實(shí)時(shí)溫度曲線
h) COMSOL仿真的純封裝材料與集成c-SE模塊封裝材料的散熱行為對(duì)比
 
       本文充分利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，成功組裝了一種具有任意定制結(jié)構(gòu)和突出功能的Gr@CNT c-SE模塊。通過(guò)精心配制具有適當(dāng)流變性能的功能性墨水，成功制造出了具有優(yōu)異電磁干擾屏蔽性能和高效熱管理能力的3D打印框架。此外，本文還提出了一種創(chuàng)新的3D打印c-SE模塊概念，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在集成電子中的潛在應(yīng)用。這些研究成果為開(kāi)發(fā)下一代高性能碳基屏蔽材料照亮了道路。
 
這篇文獻(xiàn)的創(chuàng)新點(diǎn)可以總結(jié)如下：

1. ‌碳基3D打印功能性墨水的創(chuàng)新配制‌

2. ‌3D打印超輕高效電磁干擾屏蔽框架

‌3D打印技術(shù)‌：利用直接墨水書(shū)寫(xiě)（DIW）3D打印技術(shù)，成功制造出具有超輕結(jié)構(gòu)（0.076 g/cm³）和高效電磁干擾屏蔽性能（61.4 dB）的3D打印框架。

‌性能優(yōu)異‌：所制備的3D打印框架在保持超輕結(jié)構(gòu)的同時(shí)，表現(xiàn)出了極高的電磁干擾屏蔽效能（SSE高達(dá)802.4 dB cm³ g?¹）。

3. ‌共形電磁干擾屏蔽模塊的創(chuàng)新概念

‌模塊設(shè)計(jì)‌：提出了一種創(chuàng)新的3D打印共形屏蔽（c-SE）模塊概念，該模塊與電子器件原位集成，不占用額外空間。

‌多功能性‌：3D打印的c-SE模塊不僅提供了高效的電磁干擾屏蔽功能，還具備熱耗散等多重功能，為集成電子的多功能模塊組裝提供了新思路。

4. ‌電熱性能的優(yōu)化與驗(yàn)證

‌電熱響應(yīng)‌：通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了3D打印框架在電熱響應(yīng)方面的優(yōu)異性能，包括高平衡溫度和顯著的加熱/耗散效率。

‌穩(wěn)定性與可靠性‌：所制備的3D打印框架在電熱測(cè)量中表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性和可靠性，為電子設(shè)備的熱管理提供了有效解決方案。

5. ‌在集成電子中的潛在應(yīng)用

‌實(shí)際應(yīng)用‌：展示了3D打印c-SE模塊在集成電子中的潛在應(yīng)用，為開(kāi)發(fā)下一代高性能電磁干擾屏蔽材料提供了有力支持。

‌前景廣闊‌：這項(xiàng)研究為電磁兼容和熱管理領(lǐng)域的研究開(kāi)辟了新的方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。