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       電磁干擾屏蔽（EMI SE）模塊是現(xiàn)代電子設備的核心組件。然而，傳統(tǒng)的金屬基屏蔽模塊在電子設備內(nèi)部占據(jù)不可或缺的三維空間，成為電子設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現(xiàn)理想的屏蔽功能提供了無限可能。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，通過操控其流變性能，制造出了具有超輕結構（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，這項科學創(chuàng)新完全彌補了碳基c-SE模塊組裝的空白，并為開發(fā)具有任意定制結構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)加速了無線通信網(wǎng)絡的快速發(fā)展，這依賴于毫米級電磁波（EMWs）來實現(xiàn)高級電子信息的傳播和交互。隨著5G或未來6G無線通信技術的廣泛普及，電磁波為國家創(chuàng)新和日常生活帶來了巨大便利，廣泛應用于智能傳感、導航定位、衛(wèi)星通信、遠程醫(yī)療等領域。然而，電磁波產(chǎn)生的不良電磁輻射因其對電子安全和人類健康的潛在危害而引起了廣泛關注。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)境污染等問題，限制了其實際應用。因此，采用新材料和設計適當?shù)慕Y構是促進多場景電磁環(huán)境中EMI SE材料發(fā)展的關鍵要求。
 
 
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用場景。
b) 復數(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) 儲能模量(G')和損耗模量(G")隨振蕩剪切應力的變化趨勢。
e,f) 具有超輕質(zhì)與高強度特征的2D圖案及3D結構實物照片。
 
 
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）結構的掃描電鏡（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) 雷達圖對比本研究FM框架與文獻報道屏蔽材料的關鍵性能參數(shù)（輕量化/高強度/適配性）
（注：圖中對比材料參見表S3，ANF：芳綸納米纖維，PU：聚氨酯，Cs：碳基納米復合材料，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性能
c,d) FM-G2C3框架在0.5-2.5V多級輸入電壓下的焦耳熱響應曲線，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時溫度響應（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模塊的模型與實物對照圖
c) 加載金屬基模塊/c-SE模塊前后電磁波（EMWs）輻射強度的可視化對比
d) c-SE模塊加載前后的輻射強度循環(huán)穩(wěn)定性測試
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）及實時溫度曲線
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比
 
       本文充分利用3D打印技術的優(yōu)勢，成功組裝了一種具有任意定制結構和突出功能的Gr@CNT c-SE模塊。通過精心配制具有適當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，并通過實驗驗證了其在集成電子中的潛在應用。這些研究成果為開發(fā)下一代高性能碳基屏蔽材料照亮了道路。
 
這篇文獻的創(chuàng)新點可以總結如下：

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‌：利用直接墨水書寫（DIW）3D打印技術，成功制造出具有超輕結構（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構的同時，表現(xiàn)出了極高的電磁干擾屏蔽效能（SSE高達802.4 dB cm³ g?¹）。

3. ‌共形電磁干擾屏蔽模塊的創(chuàng)新概念

‌模塊設計‌：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)化與驗證

‌電熱響應‌：通過實驗驗證了3D打印框架在電熱響應方面的優(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打印框架在電熱測量中表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性和可靠性，為電子設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用

‌實際應用‌：展示了3D打印c-SE模塊在集成電子中的潛在應用，為開發(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‌：這項研究為電磁兼容和熱管理領域的研究開辟了新的方向，具有廣闊的應用前景。