3D打印可逆熱管理與可調(diào)電磁干擾屏蔽氣凝膠

來源：EFL生物3D打印與生物制造

當前，電子設(shè)備快速發(fā)展導致電磁輻射與污染問題嚴峻，電磁干擾（EMI）屏蔽材料雖為重要解決方案，但聚合物基EMI屏蔽復合材料在可控結(jié)構(gòu)設(shè)計與靈活性能調(diào)節(jié)方面存在挑戰(zhàn)，3D打印技術(shù)雖具優(yōu)勢，卻需進一步優(yōu)化材料設(shè)計以實現(xiàn)動態(tài)性能調(diào)控。來自西北工業(yè)大學的顧軍渭教授團隊與南洋理工大學的周琨教授團隊合作，提出將氯化鈣（CaCl?）誘導的羧甲基纖維素（CMC）彈性活化與直接墨水書寫（DIW）3D打印相結(jié)合的策略，制備出具有蜂窩結(jié)構(gòu)的（Ti?C?T?/Fe?O?/CCMC）（AgNW/CCMC）氣凝膠，該氣凝膠可實現(xiàn)動態(tài)可逆熱管理與可調(diào)EMI屏蔽性能。相關(guān)工作以“Direct-Ink-Writing Printed Aerogels with Dynamically Reversible Thermal Management and Tunable Electromagnetic Interference Shielding”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。

研究內(nèi)容
通過掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）觀察，以及流變學測試（測量粘度、儲能模量和損耗模量），研究了AgNW、Ti?C?T?納米材料的微觀形貌，以及CCMC、AgNW/CCMC、Ti?C?T?/Fe?O?/CCMC墨水的打印性能。結(jié)果表明，AgNW呈規(guī)則棒狀，Ti?C?T?為二維層狀結(jié)構(gòu)，墨水具有剪切稀化特性，可打印出同心正方形、楓葉等多種形狀且結(jié)構(gòu)完好。

圖 1. (Ti?C?T?/Fe?O?/CCMC)-(AgNW/CCMC) 氣凝膠的制備流程與性能表征

通過SEM觀察氣凝膠表面和截面形貌，結(jié)合能量色散X射線光譜（EDS）元素 mapping， 研究了CCMC、AgNW/CCMC、Ti?C?T?/Fe?O?/CCMC氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)和元素分布。結(jié)果表明，氣凝膠表面為有序蜂窩結(jié)構(gòu)，邊長約600 μm，壁厚約200 μm，且各層間界面結(jié)合良好，成功摻入了AgNW、Ti?C?T?和Fe?O?。

圖 2. 油墨印刷性能及氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)表征

通過測試不同打印填充密度、Ti?C?T?含量和壓縮應變下的電磁干擾（EMI）屏蔽效能（SE），并進行有限元模擬，研究了 氣凝膠的EMI屏蔽性能及其影響因素。結(jié)果表明，填充密度和Ti?C?T?含量增加，SE提高，60%壓縮應變下SE可達80 dB，壓縮使內(nèi)部導電/磁性通路更密集，增強了對電磁波的反射、吸收和散射。

圖 3. (Ti?C?T?/Fe?O?/CCMC)-(AgNW/CCMC) 氣凝膠的電磁干擾（EMI）屏蔽性能

通過測量紅外發(fā)射率、反射率和透射率光譜，以及紅外熱成像監(jiān)測氣凝膠在熱臺上的溫度變化，研究了氣凝膠的紅外隱身性能。結(jié)果表明，氣凝膠上層的Ti?C?T?/Fe?O?/CCMC層具有低紅外發(fā)射率，多層孔隙結(jié)構(gòu)可緩沖隔熱，覆蓋在高溫模型上時表面溫度接近環(huán)境，實現(xiàn)紅外隱身。

圖 4. (Ti?C?T?/Fe?O?/CCMC)-(AgNW/CCMC) 氣凝膠的紅外隱身性能

通過測量干燥和潮濕環(huán)境下的熱導率，進行循環(huán)干濕測試，以及紅外熱成像和有限元模擬，研究了 氣凝膠的動態(tài)可逆熱管理能力。 結(jié)果表明，干燥時氣凝膠熱導率低至0.08 W·m?1·K?1，潮濕時升至0.67 W·m?1·K?1，可根據(jù)環(huán)境濕度在隔熱和導熱之間切換，適用于船舶發(fā)動機等需要溫度調(diào)控的場景。

圖 5. (Ti?C?T?/Fe?O?/CCMC)-(AgNW/CCMC) 氣凝膠的熱管理能力

研究結(jié)論
本研究提出將吸濕鹽氯化鈣與直接墨水書寫3D打印技術(shù)結(jié)合的策略，實現(xiàn)對電磁干擾屏蔽材的精確結(jié)構(gòu)控制與性能調(diào)控。所制備的蜂窩狀(Ti?C?T?/Fe?O?/CCMC)-(AgNW/CCMC)氣凝膠，在35%打印填充密度、40 wt% Ti?C?T?和60%壓縮應變下，電磁干擾屏蔽效能可達80 dB。該氣凝膠還展現(xiàn)出動態(tài)可逆的熱管理能力，熱導率可在干燥環(huán)境下的0.08瓦每米開爾文至潮濕環(huán)境下的0.67瓦每米開爾文之間轉(zhuǎn)換，且熱管理行為與電磁屏蔽性能相互耦合。此研究為航空航天、隱身技術(shù)等領(lǐng)域提供了具有自適應熱電磁調(diào)控能力的材料平臺。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adma.202505521