太赫兹电磁波在成像、制导、通信、医疗及无损检测领域具有广阔应用前景，由此带来的电磁污染、电磁干扰问题日益显著，急需开发高性能的太赫兹波段电磁屏蔽材料。当前，前驱体转化陶瓷被大量报道应用于微波电磁波屏蔽领域，但其太赫兹波段的屏蔽性能关注较少。此外，下一代太赫兹电磁屏蔽器件往往复杂异形，前驱体转化陶瓷的传统成形方式通常只能制备粉体、薄膜或简单块体，难以满足应用要求。光固化3D打印被成功报道应用于前驱体转化陶瓷及其构件的成形，如果基于前驱体转化陶瓷的太赫兹电磁屏蔽材料能够实现光固化3D打印，将为后续复杂异形太赫兹器件的研制提供极大便利。
我院李营教授、何汝杰教授组成的研究团队致力于开展太赫兹功能材料与器件的设计与制造研究，近期取得了系列研究进展。
首先，如何实现前驱体转化陶瓷（PDC）的高精度制造是一个难题。研究团队采用面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术开展了PDC-SiOC微结构的高精度制造工艺研究，经过系统工艺探索与优化，成功制备了高精度的PDC-SiOC微结构，结构特征尺寸仅52μm，具有极高的制造精度与设计制造保真度。相关研究成果以“Accuracy controlling and mechanical behaviors of precursor-derived ceramic SiOC microlattices by projection micro stereolithography (PμSL) 3D printing”为题发表于陶瓷材料领域顶级期刊《Journal of Advanced Ceramics》（IF=18.6，https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220818）。
图1 PDC-SiOC微结构的高精度3D打印制造
接下来，为了优化PDC-SiOC陶瓷的太赫兹屏蔽性能，团队优化合成了可光固化的Ti3C2Tx MXene/SiOC（MSiOC）陶瓷复合材料。采用丙烯酸改性的环氧硅树脂为前驱体，加入经酸刻蚀获得的MXene粉体，经405 nm波长紫外光固化、真空裂解后得到了MSiOC陶瓷复合材料。MSiOC陶瓷复合材料内部由异质材料交错组成的“三明治”结构，有利于对电磁波的衰减，从而呈现优异的电磁屏蔽性能。相关研究成果以“Photocured Ti3C2Tx MXene/SiOC ceramic composite for electromagnetic interference shielding in the terahertz band”为题发表于材料领域顶级期刊、英国皇家化学会期刊《Journal of Materials Chemistry A》（IF=10.7，https://doi.org/ 10.1039/d4ta02495h），并入选为hot article。
图2 适用光固化3D打印的Ti3C2Tx MXene/SiOC陶瓷复合材料合成流程
近日，研究团队受自然界中蝴蝶等昆虫翅膀内部蜂窝状微结构的启发，基于3D打印，设计了SiOC陶瓷仿生蜂窝微结构，并成功采用面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术实现了制备。获得的SiOC陶瓷仿生微结构的壁厚小于50μm、结构胞元尺寸小于200μm。测试表明，SiOC陶瓷仿生微结构的最高屏蔽效能（SE）高达64.1dB，从0.2至1.6 THz的透射率低于1.4%。此外，在0.8至1.6 THz范围内，超过97-99.8%的太赫兹波被吸收。以上结果说明研制的SiOC陶瓷仿生微结构具有优异的太赫兹屏蔽性能，在太赫兹电磁波防护器件领域具有创新应用前景。相关研究成果以“3D printed SiOC architecture towards terahertz electromagnetic interference shielding and absorption”为题发表于材料领域顶级期刊、英国皇家化学会期刊《Chemical Engineering Journal》（IF=13.3，https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155689）。
图3 SiOC陶瓷仿生微结构设计、3D打印制造、太赫兹屏蔽性能
图4 SiOC陶瓷仿生微结构太赫兹性能效果对比
作者简介：
研究工作第一作者为北京理工大学先进结构技术研究院博士生苏茹月，李营教授和何汝杰教授为本文共同通讯作者，合作作者还包括中国计量科学研究院徐浩副研究员等。
李营，北京理工大学教授、博导，国家杰青、军队学科拔尖人才、国防青拔。主要从事毁伤与防护研究，国家重点研发计划首席、基础加强重点项目首席，排名第1获得国防科技进步一等奖等多项。任军科委某专家组组长、装发某专家组专家、高能量物质前沿科学中心副主任、中国宇航学会返回与再入专委会副主任、中国力学学会爆炸动力学专业组副组长、中国复合材料学会增材制造委员会副主任、轻量化多功能复合材料与结构北京市重点实验室副主任、爆炸科学与安全防护全国重点实验室研究部主任等。SCI论文200余篇，专利40余项，军标7部。任宇航总体技术、中国舰船研究、应用物理学报等期刊编委。
何汝杰，北京理工大学教授、博士生导师。主要从事陶瓷及其复合材料3D打印研究。任轻量化多功能复合材料与结构北京市重点实验室副主任，中国硅酸盐学会特种陶瓷分会青年工作委员会副秘书长，中国复合材料学会陶瓷基复合材料分会副主任委员、热防护复合材料分会委员，中国生物材料学会口腔颅颌面材料分会委员会委员等。担任多个SCI期刊副主编、编委、青年编委。以第一/通讯作者发表SCI论文130余篇，参编英文专著5部，授权专利10余件。
论文链接：
https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220818
https://doi.org/10.1039/D4TA02495H
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155689
