NML封面文章｜广西大学石绍宏&四川大学陈英红等：面向智能电子的3D打印多级制备各向异性高效电磁屏蔽模块

Hierarchical Manufacturing of Anisotropic and High‑Efficiency Electromagnetic Interference Shielding Modules for Smart Electronics

Shaohong Shi*, Siwen Deng, Yuheng Jiang, Jiabin Chen, Lukas Sporrer, Fangchao Cheng*, Quanquan Guo, Jingjing Jing, Yinghong Chen*

Nano-Micro Letters (2026)18: 181

https://doi.org/10.1007/s40820-025-02024-4

本文亮点

1. 方法普适，精准调控：通过计算流体动力学模拟，完善了3D打印剪切流场驱动二维石墨烯纳米粒子在聚合物流体中取向的方法，利用维森堡参数定量分析分子链与纳米粒子从无序到有序的结构演变过程，实现微尺度有序结构的精准调控。

2. 层级制造，结构各向异性：提出层级制造策略，结合3D打印剪切流场与逐层组装技术，制备出具有各向异性结构特征的聚乳酸@石墨烯纳米粒子(PLA@GNs)模块，兼顾电子器件的电磁兼容性与散热需求。

3. 性能优异，功能多元：所制备的3D打印模块实现了41.2 dB的高效电磁屏蔽性能，同时获得3.2 W m⁻¹ K⁻¹的定向热导率，在4G、蓝牙、5G等民用频段展现出良好的实际应用潜力。

研究背景

随着5G/6G网络飞速发展，高频大功率电磁波引发的电磁辐射问题日益突出，电子设备的电磁兼容性(EMC)和散热需求亟待满足。传统金属基电磁干扰(EMI)屏蔽模块存在工艺复杂、成本高、密度大、难以定制化等缺陷，因此亟需开发新型轻量化、可定制、高效能的屏蔽材料，以适配小型化、集成化、智能化电子设备的需求。3D打印技术凭借成型自由度高、结构可设计性强的优势，为电磁功能材料的精密制造提供了新途径，而如何利用3D打印过程中的流场效应实现纳米填料的有序取向，进而构筑兼具高效电磁屏蔽与定向热传导的各向异性功能模块，是该领域的核心研究方向。

内容简介

针对智能电子器件对电磁屏蔽与热管理的双重需求，以及传统制备方法的局限性，广西大学石绍宏、四川大学陈英红等人通过计算流体动力学模拟，揭示了聚合物流体在3D打印通道中的动态行为，发现单向剪切流场可驱动分子链发生无序—有序转变。以维森堡参数为量化指标，精准调控PLA与GNs的有序排列。利用剪切流场驱动GNs沿打印方向定向对齐，形成独特的各向异性结构。这种调控机制突破了传统电/磁场驱动取向高成本的局限，为二维纳米粒子在聚合物基体中的有序排列提供了普适性方法。

图文导读

I 剪切流场驱动下分子链与纳米粒子的无序—有序结构演变

与电场/磁场驱动的各向异性微结构调控策略不同，熔融沉积成型(FDM)3D打印的单向剪切流场为分子链与纳米粒子的微尺度有序结构调控赋予了高自由度与通用性。图1a为3D打印熔腔通道中剪切流场驱动分子链无序—有序结构演变的示意图，通过CFD模拟获得了不同体积流量下单向流道内的流体速度分布与剪切速率变化(图1b、c)。结果表明，流体速度沿流动方向充分发展，收敛区速度显著提升，且皮层的剪切速率远高于芯层，为分子链的取向提供了动力。

图1. 3D打印流场中流体的CFD模拟。

为验证分子链的有序取向，通过同步辐射小角X射线散射(SAXS)对不同体积流量下的3D打印纯PLA样品进行表征，所有散射图谱在赤道线(平行于流动方向)均出现强“条纹”信号，证实了分子链的有序排列；且随着体积流量增大，衍射峰强度显著增强，分子链取向度最高可达～0.9，表明体积流量与分子链取向程度呈正相关，为剪切流场调控微尺度有序结构提供了概念验证。

图2. 收敛区分子链的动力学演变机制。

II 剪切流场驱动GNs的微尺度有序取向

在明确分子链结构演变规律的基础上，进一步探究剪切流场对GNs微尺度有序取向的调控作用(图2a)。X射线衍射(XRD)结果显示，GNs在平行于流动方向的(002)晶面衍射峰强度显著高于垂直方向，证实了剪切流场诱导的GNs定向排列；不同体积流量下的2D-SAXS图谱(图2c)及转化后的一维强度—方位角曲线(图2d)表明，随着体积流量增大，GNs的取向信号逐渐增强，取向度显著提升(图2e)。

根据SAXS散射强度分布曲线，计算出样品的长周期，发现体积流量从1.15 mm³ s⁻¹提升至9.20 mm³ s⁻¹时，PLA@GNs样品长周期从 8.05 nm增至9.93 nm。这表明提高体积流量可增强GNs沿流场方向的长程有序排列，为实现各向异性功能奠定了微纳结构基础。

图3. 剪切流场驱动GNs有序取向的形貌表征。

III 各向异性高效电磁屏蔽模块的层级制造与性能表征

为充分发挥微纳尺度与宏观尺度结构对屏蔽模块综合性能的协同作用，结合GNs有序取向的精准调控与PLA@GNs材料的逐层组装，提出层级制造策略(图3a)。该结构设计可利用宏/微结构特征实现电磁波的多级屏蔽，当入射电磁波垂直于GNs有序结构时，有序排列的GNs形成多层屏障，实现电磁波的高效反射与吸收，因此模块的垂直屏蔽效能(SE⊥)显著高于平行屏蔽效能(SE∥)。

随着GNs含量增加，SE⊥与SE∥均显著提升，且各向异性差异逐渐增大，5 wt% GNs样品的SE⊥较SE∥提升13.2%，20 wt% GNs样品的提升幅度达40.6%(图3c)。屏蔽机制分析表明，SEA是SET的主要贡献者，且随GNs含量增加呈上升趋势，而SER始终低于5 dB，基本保持稳定。此外，模块屏蔽效能随厚度增加呈线性增长，当厚度达3.01 mm时，SET最高可达41.2 dB，远超电子器件20 dB的商用电磁屏蔽标准(图3f)，且与已报道的石墨烯基屏蔽材料相比，本研究的PLA@GNs材料展现出更优异的屏蔽性能。

图4. PLA@GNs电磁屏蔽模块的层级制造与屏蔽性能。

IV 民用频段实际屏蔽效果与定向热传导性能验证

图5. PLA@GNs模块的民用频段屏蔽效果与热管理性能。

为验证模块的实际应用潜力，设计定制化六面体屏蔽盒，对4G、蓝牙、5G民用频段的屏蔽效果进行测试(图4a、b)。结果表明，移除屏蔽盒时，频谱分析仪检测到−20 ~ 0 dBm的强电磁波信号；安装屏蔽盒后，各频段信号强度均降至−60 ~ −90 dBm的弱信号范围，证实了PLA@GNs模块在民用频段的有效屏蔽作用。

同时，该模块因GNs的有序排列展现出优异的定向热传导性能，沿GNs有序方向的热导率(3.2 W m⁻¹ K⁻¹)较纯PLA提升约1300%，且热扩散系数也远高于垂直方向(图4b、c)。红外热成像与实时散热曲线显示，沿GNs有序方向的升/降温速率显著更快，初始加热速率提升208%，冷却速率提升54%(图4d、f)。将该材料制备为3D打印散热器，对核心电子器件的散热测试表明，沿打印方向(GNs有序方向)的温度随距离增加呈均匀下降趋势，展现出良好的定向散热应用潜力。

图6. 3D打印PLA@GNs材料的热性能表征。

V 总结

本研究提出了一种层级制造策略，通过结合剪切流场驱动的纳米粒子有序排列以及逐层组装，来制造具有各向异性热导率和高效屏蔽高频/高功率电磁波性能的PLA@GNs材料。借助CFD模拟，研究了3D打印单向流场中聚合物流体的动态行为，并揭示了分子链从无序到有序的结构演变。此外，还利用维森堡参数定量评估了剪切流场驱动组装与纳米粒子热运动驱动弛豫之间的竞争关系，从而实现了分子链和GNs粒子沿剪切流场方向的有序排列。随后，组装了具有各向异性结构特征的3D打印PLA@GNs模块，并展示了其在电子设备电磁兼容性和散热方面的潜在贡献。这种具有定向有序结构的3D打印PLA@GNs样品，在X波段频率范围内电磁干扰屏蔽值可达41.2 dB，远远超过了商业电磁干扰屏蔽标准。此外，该3D打印样品在诸如4G、蓝牙和5G等特定民用电磁波频段中的潜在屏蔽应用得到了充分展示。此外，沿着GNs粒子有序排列的方向的热导率高达3.2W m⁻¹ K⁻¹，比纯PLA高出约1300%，适合用于3D打印散热器中的散热。从理论模拟到实验验证，本研究基于3D打印提供了构筑GNs有序网络结构的新方法，可满足智能电子设备对电磁兼容性和热管理的迫切需求。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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