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NML2024.5封面文章：3D打印碳基共形电磁屏蔽模块用于集成电子电磁辐射防护

  • Nano-Micro Letters 发布于 2024-04-19
  • 分类：化学科学
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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-printed carbon-based conformal electromagnetic interference shielding module for integrated electronicsShaohong Shi, Yuheng Jiang, Hao Ren, Siwen Deng, Jianping Sun, Fangchao Cheng*, Jingjing Jing, and Yinghong Chen*Nano-Micro Letters (2024)16: 85

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01317-w

本文亮点

1. 通过精细化调控油墨流变性能的策略，制备了可3D打印的高碳基(~80%)功能油墨。

2. 3D打印增材制造了轻量化(0.076 g cm⁻³)、高电磁屏蔽性能(61.4 dB)的功能支架。

3. 提出了3D打印一体化制备共形电磁屏蔽模块的新思路新方法。

内容简介

为制备具有多样化结构和高效电磁屏蔽效能的功能模块，广西大学石绍宏博士、程芳超副教授与四川大学陈英红教授合作，提出了一种利用3D打印增材制造技术成型碳基共形电磁屏蔽(c-SE)支架的新思路、新方法。该方法将3D打印支架与电子封装材料相结合，并成功集成至电子元件上，在兼顾电子元件小型化、集成化需求的同时，实现了理想的电磁屏蔽功能。本研究主要以纤维素(CNF)作为胶粘剂，通过引入不同比例的石墨烯(Gr)和碳纳米管(CNT)功能粒子，精细调控复合流体的流变性能，制备了可3D打印的高碳基(~80%)功能油墨。结合3D打印自由设计与制造的特色，成型了结构可定制化的c-SE支架。测试结果表明，该打印支架既具有轻量化结构(0.076 g cm⁻³)，也表现出优异的电磁屏蔽性能(61.4 dB，电磁波透过率<0. 0001%，比屏蔽＞800 dB cm3 g-1)。同时，替代传统金属屏蔽件，集成至电子设备的碳基c-SE模块，完全适配电子元件的电磁防护需求。该工作不仅拓展了3D打印先进制造技术的潜在应用前景，还将为下一代高性能碳基电磁屏蔽模块的设计与制造提供了创新思路。

图文导读

I 可3D打印的功能性油墨

在Gr@CNT功能油墨的制备过程中，CNF扮演了多重角色，对油墨的性能和稳定性起到了至关重要的作用。首先，CNF与Gr@CNT功能粒子之间的CH-π相互作用，有利于Gr@CNT纳米粒子的附着，从而形成互穿网络结构。其次，其表面丰富的官能团产生强大的静电排斥力，保证了Gr@CNT粒子在溶液中的稳定分散。此外，CNF还作为胶粘剂，用于调制油墨的粘度，使之适用于3D打印加工。结果显示，Gr@CNT功能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(图1)。该支架具有轻质和多孔的特性，为轻量化、高性能功能支架的制造提供了重要支持。

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图1. 不同比例的Gr@CNT功能性油墨的流变性能。(a)可打印Gr@CNT油墨及其潜在应用示意图。(b)黏度(η*)随剪切频率(ω)的变化曲线。(c)在两个交替剪切频率(0.01 s⁻¹和10 s⁻¹)下黏度(η*)的变化曲线。(d)模量(G′和G′′)随剪切应力的变化曲线。(e), (f)具有轻质特性的打印结构。

II  3D打印支架的结构特征

Gr和CNT功能粒子具有优异的导电性能，可在支架内部形成高效的导电网络，使得支架有望在集成电子器件的电磁兼容性方面发挥应用潜力。3D打印成型的全填充(FI)和全错位(FM)支架结构(图2a, b)，都具有良好的结构保真度，有利于实现共形结构的成型(图2c, d)。此外，支架上密集分布着人造多孔结构(图2c-f)，赋予支架材料轻质特性的同时，也有利于电磁波的进入。

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图2. 3D打印的全填充(FI)和全错位(FM)支架的形态。(a), (b)3D打印FI和FM模型的示意图。(c), (d)表面(左)和横截面(右)结构的扫描电镜图像。(e), (f)FM样品的高分辨率扫描电镜图像。

III  3D打印支架的EMI SE特性

Gr@CNT功能粒子构筑的互穿网络赋予支架优异的导电性能，从而对EMI SE性能起到积极作用。图3评估了使用不同Gr@CNT配比的功能性油墨和不同堆叠模式的3D打印支架的综合电磁屏蔽性能。其中，FI-G₂C₃样品在整个X波段区域的最佳SE值高于60 dB(图3a)，对应于电磁波能量0.000001的超低透射率，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，SSE性能显著提高(图3b, c)。3D打印成型的支架其高效的电磁屏蔽特性，为制造高性能c-SE器件提供了强有力的性能保证。

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图3. 3D打印支架的EMI SE特性。(a)X波段频率范围内的EMI SE特性。(b), (c)平均EMI SE和SSE值。(d), (e)FM支架的电磁参数(SEtotal、SEA和SER)和趋肤深度(δ)。(f)对研究中3D打印FM支架的在轻质、高屏蔽和结构可定制方面，与先前文献中报道的其他SE材料对比的雷达图(ANF：芳纶纳米纤维，PU：聚氨酯，Cs：碳基纳米复合材料，CF：泡沫碳，NR：天然橡胶，PLA：聚乳酸，PYC：热解碳，GN：石墨烯纳米片，EP：环氧树脂)。

IV  3D打印共形电磁屏蔽模块

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(图4d)。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(图4e)，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(图4f, g)，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(图4h)。c-SE模块的结构可定制性、高效的EMI SE性能和热管理能力，为组装适配于集成电子器件的下一代多功能电磁屏蔽模块提供了创新思路。

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图4. 用于集成电子器件的3D打印c-SE模块。(a)3D打印c-SE模块到核心电子设备上的示意图。(b)等效屏蔽实验示意图。(c)加载金属/c-SE屏蔽模块前后EMW信号辐射强度变化。(d)加载c-SE模块前后的辐射强度循环测试。(e) c-SE模块在2.0-6.0 GHz频率范围内的EMI SE性能。(f), (g)等效散热实验的代表性红外热成像变化，以及相应的实时温度曲线。(h)COMSOL模拟纯封装材料和c-SE模块的散热行为。

作者简介

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石绍宏

本文第一作者

广西大学 助理教授

▍主要研究领域(

1)电磁功能材料及器件；(2)高比能二次电池；(3)3D打印。

▍个人简介

石绍宏，广西大学助理教授，主要从事高分子基电磁功能器件和高比能二次电池的研究，在Nano-Micro Letters、Advanced Functional Materials、Composites Part B: Engineering、Chemical Engineering Journal、Carbohydrate Polymers等高水平SCI期刊发表SCI论文20余篇，主持国家自然科学基金青年基金项目、广西自然科学基金青年基金项目等多项科研项目。

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程芳超

本文通讯作者

广西大学 副教授

▍主要研究领域

(1)生物质功能材料；(2)生物质高值化利用。

▍个人简介

程芳超，广西大学副教授，博士生导师，主要研究方向为生物质功能材料及高值化利用研究，在Nano Energy、Green Chemistry等高水平期刊发表SCI论文30余篇。主持国家自然科学基金面上项目、广西自然科学基金面上项目等8项科研项目。获省部级自然科学二等奖1项。

▍Email：fangchaocheng@gxu.edu.cn

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陈英红

本文通讯作者

四川大学 教授

▍主要研究领域

(1)高分子材料3D打印；(2)微型加工；(3)阻燃。

▍个人简介

陈英红，四川大学教授，博士生导师，英国Bradford大学访问学者，四川大学高分子研究所高性能与功能高分子材料中心主任，国家重点研发计划项目负责人，四川省海外高层次留学人才，四川省科技青年联合会理事会常务理事(2018.12-2023.12)和荣誉理事，中国石油和化学工业联合会阻燃专家委员会委员。近二十年来主要从事高分子材料3D打印加工、微型加工、无卤阻燃、聚合物共混复合改性等方面的研究工作。主持承担了国家重点研发计划项目、国家863计划项目、国家重点研发计划专项子课题、973计划子课题、国家自然科学基金面上/青年、企业横向等多项科研项目。发表学术研究论文160余篇，获准中国、美国等授权发明专利24件，荣获国家技术发明奖二等奖、中国专利金奖、四川省专利奖特等奖、教育部技术发明奖二等奖等多项国家级和省部级科技奖励。

▍Email：johnchen@scu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

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