太赫茲電磁波在成像、制導(dǎo)、通信、醫(yī)療及無損檢測領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，由此帶來的電磁污染、電磁干擾問題日益顯著，急需開發(fā)高性能的太赫茲波段電磁屏蔽器件。目前，前驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷被成功應(yīng)用于微波電磁波屏蔽領(lǐng)域，但對其太赫茲波段的屏蔽性能關(guān)注仍較少。一方面，下一代太赫茲電磁屏蔽器件往往具有復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)成形方式通常只能制備前驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷的粉體、薄膜或簡單塊體，難以滿足復(fù)雜器件制造要求，因此3D打印是解決該挑戰(zhàn)的有效途徑。另一方面，單一的前驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷材料的太赫茲電磁屏蔽性能有限，通過引入具有較強電磁波損耗能力的一維、二維材料對其改性，有望顯著提升效能。此外，多功能集成是未來器件的發(fā)展趨勢：在太赫茲屏蔽性能外，若器件能兼具防熱、隔熱等多功能，將能極大拓展其在嚴(yán)峻服役環(huán)境（如極寒冷或極炎熱環(huán)境等）下的應(yīng)用空間。
近日，北京理工大學(xué)何汝杰教授、李營教授團隊采用靜電自組裝結(jié)合微立體光刻3D打印技術(shù)，設(shè)計制造了一種SiCw@MXene/SiOC極小曲面超結(jié)構(gòu)，兼具優(yōu)異的寬頻段太赫茲波屏蔽性能、隔熱性能和電熱轉(zhuǎn)化性能。發(fā)展的SiCw@MXene/SiOC超結(jié)構(gòu)在兩方面表現(xiàn)出顯著特性：一方面，內(nèi)部1D SiC晶須和2D MXene靜電自組裝后形成包覆結(jié)構(gòu)，與SiOC前驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷復(fù)合后形成豐富異質(zhì)相界面，從而極大提升了吸波能力；另一方面，極小曲面結(jié)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計進(jìn)一步增加了電磁波在內(nèi)部的反射，使其對0.2-1.6 THz寬頻段太赫茲電磁波能夠高效屏蔽。厚度1.3-2.7 mm時，平均電磁屏蔽效能達(dá)58.6-66.4 dB。此外，該超結(jié)構(gòu)在室溫和300 ℃下熱導(dǎo)率僅為0.23和0.39 W/m·K，具有良好的隔熱性能。并且該超結(jié)構(gòu)還能在較低的輸入電壓下穩(wěn)定產(chǎn)生焦耳熱，實現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)化，從而為嚴(yán)峻環(huán)境下的多功能太赫茲電磁屏蔽器件發(fā)展與應(yīng)用提供了可能。
相關(guān)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"為題發(fā)表在材料領(lǐng)域頂級期刊《Advanced Functional Materials》上。北京理工大學(xué)博士研究生蘇茹月為第一作者，北京理工大學(xué)何汝杰教授和李營教授為共同通訊作者。
圖1. 面投影微立體光刻3D打印SiCw@MXene/SiOC極小曲面超結(jié)構(gòu)的制備工藝路線。
接下來，通過太赫茲時域光譜獲得該結(jié)構(gòu)在透射和反射模式下的時域譜圖，經(jīng)快速傅里葉變換得到頻域圖，提取光學(xué)參數(shù)后可以計算出SiCw@MXene/SiOC超結(jié)構(gòu)在0.2-1.6 THz的透射率、反射率和吸收率。結(jié)果表明，制備的SiCw@MXene/SiOC Gyroid超結(jié)構(gòu)能夠在不同胞元尺寸下實現(xiàn)對太赫茲波的有效屏蔽。實際胞元尺寸約277-584 μm時，超結(jié)構(gòu)在0.2-1.6 THz頻段內(nèi)的透射率始終<0.003%，吸收率>85%，反射率<15%。此外，模型胞元尺寸2.5 mm（實際尺寸約473.6 μm）時，超結(jié)構(gòu)在全波段內(nèi)的吸收率始終保持在較高的水平，約97.5-99.4%，反射率僅0.6-2.5%。屏蔽效能（SE）計算結(jié)果表明，Gyroid-2.5的透射屏蔽效能（SET）為55-106.5 dB，反射屏蔽效能（SER）始終<0.2 dB，SEA曲線與SET基本重合。以上結(jié)構(gòu)表面該超結(jié)構(gòu)在0.2-1.6 THz的超寬頻段內(nèi)都表現(xiàn)出很強的電磁屏蔽能力，其電磁屏蔽機制以電磁波吸收為主。
圖2. SiCw@MXene/SiOC Gyroid超結(jié)構(gòu)的太赫茲電磁屏蔽性能。
對Gyroid-2.5超結(jié)構(gòu)的隔熱性能進(jìn)行研究，將其置于加熱臺表面，設(shè)置加熱臺溫度分別為80、120、180 °C，最終樣品表面溫度分別穩(wěn)定在53.8、85.3、124.6 °C，與加熱臺表面溫度相比分別降低了20.9、33.1、40.2 °C，表明超結(jié)構(gòu)具有較好的隔熱能力。進(jìn)一步測試超結(jié)構(gòu)在常溫和高溫下的熱導(dǎo)率，其在25、200、300 °C下熱導(dǎo)率低至0.23、0.36、0.39 W/m·K。
圖3. SiCw@MXene/SiOC Gyroid超結(jié)構(gòu)的隔熱性能。
研究者進(jìn)一步探索了Gyroid-2.5的電熱轉(zhuǎn)化性能（焦耳熱效應(yīng)）。通過導(dǎo)線將超結(jié)構(gòu)與DC電源連接，在輸入電壓分別為2、3、4、5 V時，通過熱電偶記錄樣品的表面溫度。隨著輸入電壓增大，超結(jié)構(gòu)表面溫度明顯升高。在2 V輸入電壓下，超結(jié)構(gòu)的表面溫度在76 s內(nèi)穩(wěn)定在30.1 °C；輸入電壓增加到3、4和5 V后，其表面溫度迅速升高，達(dá)到飽和溫度所需的時間也逐漸變長，在149.5、169.1、320 s后，表面溫度分別穩(wěn)定在41.7、54.6、75.5 °C左右。此外，當(dāng)輸入電壓關(guān)閉時，樣品的表面溫度迅速冷卻到室溫。該結(jié)構(gòu)能夠在較低的驅(qū)動電壓下通過電熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)生熱量，并且通過調(diào)節(jié)輸入電壓大小可以實時調(diào)控其表面溫度，此外，在長時間工作時1 h后該結(jié)構(gòu)依舊能夠穩(wěn)定產(chǎn)生焦耳熱。
圖4. SiCw@MXene/SiOC Gyroid超結(jié)構(gòu)電熱轉(zhuǎn)化性能。
總結(jié)與展望：
該研究開發(fā)的SiCw@MXene/SiOC Gyroid-2.5超結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了寬頻太赫茲電磁屏蔽、隔熱與電熱轉(zhuǎn)化的多功能集成。有望在嚴(yán)峻環(huán)境太赫茲電磁屏蔽器件中獲得應(yīng)用，例如暴露于極寒冷環(huán)境中，由于其具有焦耳熱效應(yīng)，可以在較低的輸入電壓下用作電加熱器，并且通過調(diào)節(jié)輸入電壓控制發(fā)熱溫度；在極炎熱環(huán)境中時，由于該結(jié)構(gòu)的低導(dǎo)熱性和優(yōu)異電磁屏蔽性能，可以在屏蔽電磁波的同時阻礙外界熱量傳遞到電子設(shè)備。該工作為嚴(yán)峻環(huán)境太赫茲電磁屏蔽器件提供了新的研究思路與應(yīng)用可能。
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