太赫茲電磁波在成像、制導、通信、醫療及無損檢測領域具有廣闊應用前景，由此帶來的電磁污染、電磁干擾問題日益顯著，急需開發高性能的太赫茲波段電磁屏蔽器件。目前，前驅體轉化陶瓷被成功應用于微波電磁波屏蔽領域，但對其太赫茲波段的屏蔽性能關注仍較少。一方面，下一代太赫茲電磁屏蔽器件往往具有復雜異形結構，而傳統成形方式通常只能制備前驅體轉化陶瓷的粉體、薄膜或簡單塊體，難以滿足復雜器件制造要求，因此3D打印是解決該挑戰的有效途徑。另一方面，單一的前驅體轉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峻服役環境（如極寒冷或極炎熱環境等）下的應用空間。

近日，北京理工大學何汝杰教授、李營教授團隊采用靜電自組裝結合微立體光刻3D打印技術，設計制造了一種SiC_w@MXene/SiOC極小曲面超結構，兼具優異的寬頻段太赫茲波屏蔽性能、隔熱性能和電熱轉化性能。發展的SiC_w@MXene/SiOC超結構在兩方面表現出顯著特性：一方面，內部1D SiC晶須和2D MXene靜電自組裝后形成包覆結構，與SiOC前驅體轉化陶瓷復合后形成豐富異質相界面，從而極大提升了吸波能力；另一方面，極小曲面結構的構型設計進一步增加了電磁波在內部的反射，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58.6-66.4 dB。此外，該超結構在室溫和300 ℃下熱導率僅為0.23和0.39 W/m·K，具有良好的隔熱性能。并且該超結構還能在較低的輸入電壓下穩定產生焦耳熱，實現電熱轉化，從而為嚴峻環境下的多功能太赫茲電磁屏蔽器件發展與應用提供了可能。

相關研究成果以“Self-assembly and 3D printing of SiCw@MXene/SiOC Metastructure toward Simultaneously Excellent Terahertz Electromagnetic Interference (EMI) Shielding and Electron-to-Thermal Conversion Properties”為題發表在材料領域頂級期刊《Advanced Functional Materials》上。北京理工大學博士研究生蘇茹月為第一作者，北京理工大學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SiC_w@MXene/SiOC極小曲面超結構的制備工藝路線。

接下來，通過太赫茲時域光譜獲得該結構在透射和反射模式下的時域譜圖，經快速傅里葉變換得到頻域圖，提取光學參數后可以計算出SiC_w@MXene/SiOC超結構在0.2-1.6 THz的透射率、反射率和吸收率。結果表明，制備的SiC_w@MXene/SiOC Gyroid超結構能夠在不同胞元尺寸下實現對太赫茲波的有效屏蔽。實際胞元尺寸約277-584 μm時，超結構在0.2-1.6 THz頻段內的透射率始終<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，超結構在全波段內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）計算結果表明，Gyroid-2.5的透射屏蔽效能（SE_T）為55-106.5 dB，反射屏蔽效能（SE_R）始終<0.2 dB，SE_A曲線與SE_T基本重合。以上結構表面該超結構在0.2-1.6 THz的超寬頻段內都表現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. SiC_w@MXene/SiOC Gyroid超結構的太赫茲電磁屏蔽性能。

對Gyroid-2.5超結構的隔熱性能進行研究，將其置于加熱臺表面，設置加熱臺溫度分別為80、120、180 °C，最終樣品表面溫度分別穩定在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，表明超結構具有較好的隔熱能力。進一步測試超結構在常溫和高溫下的熱導率，其在25、200、300 °C下熱導率低至0.23、0.36、0.39 W/m·K。

圖3. SiC_w@MXene/SiOC Gyroid超結構的隔熱性能。

研究者進一步探索了Gyroid-2.5的電熱轉化性能（焦耳熱效應）。通過導線將超結構與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，超結構表面溫度明顯升高。在2 V輸入電壓下，超結構的表面溫度在76 s內穩定在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，表面溫度分別穩定在41.7、54.6、75.5 °C左右。此外，當輸入電壓關閉時，樣品的表面溫度迅速冷卻到室溫。該結構能夠在較低的驅動電壓下通過電熱轉化產生熱量，并且通過調節輸入電壓大小可以實時調控其表面溫度，此外，在長時間工作時1 h后該結構依舊能夠穩定產生焦耳熱。

圖4. SiC_w@MXene/SiOC Gyroid超結構電熱轉化性能。

總結與展望：

該研究開發的SiC_w@MXene/SiOC Gyroid-2.5超結構實現了寬頻太赫茲電磁屏蔽、隔熱與電熱轉化的多功能集成。有望在嚴峻環境太赫茲電磁屏蔽器件中獲得應用，例如暴露于極寒冷環境中，由于其具有焦耳熱效應，可以在較低的輸入電壓下用作電加熱器，并且通過調節輸入電壓控制發熱溫度；在極炎熱環境中時，由于該結構的低導熱性和優異電磁屏蔽性能，可以在屏蔽電磁波的同時阻礙外界熱量傳遞到電子設備。該工作為嚴峻環境太赫茲電磁屏蔽器件提供了新的研究思路與應用可能。