太赫兹技术正加速走向雷达探测、无线通信、生物医疗等前沿领域，但随之而来的电磁干扰污染日益突出，亟需高性能太赫兹屏蔽材料“保驾护航”。 SiOC陶瓷耐高温、强度高、可3D打印，是理想的电磁防护基体，但本征屏蔽能力有限。如何让陶瓷材料“既能高效吸波、又能快速散热、还能复杂成形”？
北京理工大学何汝杰教授、李营教授团队给出了“材料+结构”双管齐下的答案：材料层面，通过异质界面工程将MXene、BN纳米片与SiCw晶须“编织”进SiOC基体，构筑多尺度异质界面与连续导电网络；结构层面，借助光固化3D打印设计四类TPMS多孔超结构，让太赫兹波“进得来、出不去”。最终，Diamond构型的平均屏蔽效能达68.3 dB，优于绝大多数已报道屏蔽材料，并兼具疏水防污与高效散热能力。相关论文以“Boosting high-performance terahertz wave shielding of MXene@BNS/SiCw/SiOC composites by heterogeneous interface engineering and 3D printed metastructure design”为题，发表在《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing）上。
本研究的核心策略是“材料改性”与“结构设计”双引擎驱动：一方面，通过异质界面工程提升复合材料本征的太赫兹耗散能力；另一方面，通过3D打印超结构设计，借助多孔结构的多重反射将太赫兹波“困”在材料内部。二者协同实现“1+1>2”的屏蔽增强效果，并赋予材料疏水与散热能力。
（1）材料方面：异质界面工程，给陶瓷植入“吸波基因”。研究团队采用蔗糖辅助机械剥离的方法改性BN纳米颗粒——蔗糖犹如“分子胶水”，在BN表面引入大量羟基官能团，使其依靠氢键作用均匀“贴附”于MXene片层表面而不再团聚；同时引入一维SiCw晶须“搭桥”，构建多尺度异质界面，为电磁损耗提供充足的极化活性位点（图1、图2）。多相填料协同搭建连续导电网络，界面极化与导电损耗“双管齐下”，优化了复合材料的介电损耗特性。经正交试验设计优化蔗糖配比、填料质量比与掺杂含量最优条件：BN:蔗糖质量比1:5、MXene:BN质量比1:4、MXene@BNS掺杂量1.2 wt%），块体MXene@BNS/SiCw/SiOC复合材料的平均屏蔽效能（SET）可达42.3 dB，透射率最低至0.0001%，呈吸收主导的屏蔽机制（图3）。
图1材料“异质界面工程”+结构“光固化3D打印”
图2 BNS/MXene复合材料SEM图像
图3 MXene@BNS/SiCw/SiOC复合材料正交试验设计与太赫兹电磁屏蔽性能
（2）结构方面：3D打印超结构，为太赫兹波打造“迷宫”。 好材料更需好结构。基于最优填料配比，团队采用光固化3D打印高精度构筑Diamond（D）、I-Wrapped Parallel（I-WP）、Gyroid（G）、Primitive（P）四种TPMS超结构（图4）。多孔结构内部形成曲折传输通道，太赫兹波在其中反复反射、步步衰减——“进得来、出不去”。四种超结构均呈吸收主导的屏蔽机制，透射率低于0.2%，其中D、G结构在0.2~1.6 THz全频段透射率趋近于0，宽频屏蔽能力优异（图5）。D结构表现最佳，平均屏蔽效能达68.3 dB，较块体材料提升逾60%，也高于I-WP（49.9 dB）、G（60.8 dB）、P（39.4 dB）构型，优于多数已报道的电磁屏蔽材料。更难得的是“一材多能”：D结构接触角达115.9°，具备疏水防污特性；得益于BNS构筑的高效导热通路，其在100 °C加热条件下表面温度3 min内即升至86 °C、最终稳定在93.5 °C，散热性能优异（图6）。屏蔽、疏水、散热“三位一体”，为构筑高效稳定的太赫兹电磁防护体系提供了新策略。
图4 D、I-WP、G、P四种TPMS超结构的SEM图像
图5 超结构太赫兹电磁屏蔽性能
图6 D型超结构电磁屏蔽机制、表面疏水性与散热性能
本研究以“材料改性+结构设计”的双重策略，为高性能太赫兹屏蔽陶瓷提供了新范式：材料层面，异质界面工程使MXene@BNS/SiCw/SiOC块体复合材料的屏蔽效能达42.3 dB；结构层面，3D打印TPMS超结构设计将其进一步提升至68.3 dB，并赋予材料疏水、散热等多功能特性，性能优于多数已报道的电磁屏蔽材料。这一“材料+结构”协同路线有望拓展至更多陶瓷体系与电磁频段，为航空航天、精密电子、新一代通信等领域耐高温、轻量化、多功能一体化的电磁屏蔽陶瓷构件提供技术支撑。
论文第一作者为北京理工大学先进结构技术研究院毕业生苏茹月博士（现工作于中国科学院青岛生物能源与过程研究所），导师：何汝杰教授。共同第一作者海军潜艇学院王馨博博士，通信作者为何汝杰教授、李营教授。
原文链接：https://doi.org/10.1088/2631-7990/aea03f