广西大学与四川大学联合团队发表在 Nano-Micro Letters 上的这项工作，用一组看起来矛盾的数据说明了结构设计的作用：打印件密度只有 0.076 g/cm³，X 波段电磁屏蔽效能却最高达到 61.4 dB；错层镂空结构的绝对屏蔽值虽略低于满填充，但比屏蔽系数达到 802.4 dB·cm³/g。屏蔽材料的评价一旦从"屏蔽了多少"换成"每克材料屏蔽了多少"，碳基多孔结构与金属屏蔽罩的对比关系就完全反转了。

这个反转对电子封装是有现实意义的。金属屏蔽件的问题从来不是屏蔽效果不够，而是它占空间、压重量，并且自己会积热——屏蔽罩把电磁波挡在外面的同时也把热量闷在里面。市面上的碳基屏蔽材料多数依靠喷涂或电镀成型，只能做贴合平面的涂层，做不出能包裹芯片异形外形的三维镂空结构。DIW浆料直写在这里的位置很清楚：逐层挤出可以按元器件外形自由设计任意多孔共形几何，而这恰好是屏蔽件轻量化与散热同时成立的前提。

墨水侧：纤维素纳米纤维承担了两件事

碳基填料做直写墨水，最大的障碍是石墨烯片层与碳纳米管在水相中的强烈团聚倾向，以及纯碳体系本身不具备可打印的流变特性。研究选用羧化纤维素纳米纤维作为分散兼粘结基底，一次解决这两个问题。

分散层面，纤维素分子链上密集的羟基与碳纳米材料表面形成氢键和范德华相互作用，纳米纤维像柔性网兜一样把石墨烯片与碳管缠绕包裹，阻止片层重新堆叠。流变层面，纤维素纳米纤维之间相互搭接形成三维网络，赋予墨水剪切变稀、触变与合适的屈服应力——静置时以类固态形式撑住上层结构，挤出时黏度快速下降顺畅出料，落料后结构迅速恢复不塌陷。这正是 DIW 对墨水的核心要求。

配比标定上，实验设置六组碳填料配比对照，用流变仪测试黏度与储能／损耗模量随剪切速率的变化，最终优选 G₂C₃ 配比在成型性与导电性上综合最优。石墨烯与碳纳米管的复配不是简单加和：片状石墨烯提供大面积的导电界面与反射损耗位点，一维碳管在片层之间架桥形成长程导电通路，两者比例失衡时要么导电网络不连续，要么墨水黏度过高难以挤出。打印出的三维镂空框架可承受自身重量 4000 倍以上而不变形，高低温环境下结构稳定性良好。

结构侧：多孔通道如何把反射变成吸收

研究打印了满填充与错层镂空两种结构，冷冻干燥后得到多孔碳基框架。冷冻干燥这一步不能省——常规烘干会因毛细力导致孔壁塌陷，只有升华干燥才能保留纤维素网络撑出的孔隙形态。SEM 显示纤维素交织网络均匀包裹石墨烯与碳纳米管，内部形成丰富的连通孔道。

屏蔽机制上，这类多孔碳基结构与致密金属有本质差别。金属主要靠阻抗失配产生表面反射，电磁波被弹回环境中，对相邻器件仍是干扰源；多孔碳基结构则让电磁波在孔道内多次反射折返，路径被显著拉长，能量在反复穿越导电网络的过程中通过欧姆损耗与界面极化转化为热耗散。测试结果也印证了这一点——吸收损耗是主要屏蔽机制，因此薄层结构即可实现高效阻隔。

X 波段 8–12 GHz 测试中，最优样品总屏蔽效能超过 60 dB，最高 61.4 dB，远高于商用产品 20 dB 的基础门槛。60 dB 意味着透射功率衰减到入射的百万分之一。而支撑这一数值的材料密度仅 0.076 g/cm³，不到常见铝合金屏蔽罩密度的三十分之一。

屏蔽与散热的同源性

碳基导电网络有一个金属屏蔽罩不具备的附加价值：它在导电的同时也导热，而且这两条通路依赖的是同一套结构。研究验证了打印框架的焦耳升温与热传导能力，多组电压循环下温度响应稳定，长时间连续工作无性能衰减。

把 DIW 打印的共形屏蔽模组直接贴合在芯片封装层上，两个功能同时兑现：外部电磁辐射被阻隔在外，芯片工作产生的热量沿碳网络快速导出。相比之下，传统方案需要屏蔽罩与散热片各占一份空间，而且屏蔽罩往往还阻挡散热路径。实际手机辐射对比实验显示，加装打印碳基屏蔽模组后设备辐射强度降至趋近于零，2–6 GHz 全频段屏蔽数值稳定超过 30；热成像仿真也证明带屏蔽封装的整体工作温度明显下降。

设备适配：碳基水性墨水直写的关键控制点

这类纤维素基碳墨水在设备上属于中等难度体系，不需要温控喷头或惰性气氛，但有几个环节直接决定成败。

脱泡是上机前的必做工序。纤维素纳米纤维水分散液在超声与浓缩过程中会大量卷入气泡，而高屈服应力体系的气泡很难自行上浮排出。带着气泡上机的直接表现是打印中途突然断料或出料量跳变——气泡进入针头段后被压缩，压力传递失效。真空脱泡或行星离心脱泡应作为固定流程，脱泡后静置一段时间再装料。

针头选型与填料粒径的匹配。石墨烯片的横向尺寸可能达到几微米甚至十几微米，碳管则容易缠结成团。经验判断是针头内径应至少为最大填料尺寸的 10 倍以上，否则堵头概率显著上升。若必须用细针，墨水在配制阶段就要增加筛分或高压均质工序。

挤出方式的选择。这类墨水屈服应力较高、含水量大，气动挤出的响应滞后明显，起停时的拖尾会在镂空结构的转角处堆料。螺杆或柱塞式容积挤出的位移—出料关系确定，配合回抽补偿更适合打印多孔框架这类频繁起停的路径。

共形打印对运动系统的要求。要在芯片封装的异形表面上直接共形沉积，三轴平台是不够的——喷头必须能够保持与曲面法向一致的姿态，否则针尖到基面的距离沿曲面变化，线宽随之波动。这类需求需要五轴联动平台配合曲面路径规划，属于标准整机之外的定制开发范畴。同时建议配置非接触测高或力反馈，先扫描出实际封装外形再生成路径，因为封装件本身存在批次公差。

干燥工艺不能改。成型件必须冷冻干燥，这一步的设备需求经常被低估。打印完成到冷冻之间的等待时间要控制，样件在室温下放置过久会因边缘先失水而产生收缩应力，冷冻后孔隙形态与内部区域不一致，屏蔽性能的批次波动就来自这里。

工程落地判断

这套方案的可迁移之处，在于它把"屏蔽件"从一个独立零件变成了封装结构的一部分。DIW 自由成型的能力让屏蔽结构可以按芯片外形定制，摆脱金属冲压模具的限制；碳基材料的低密度契合便携电子与物联网微型器件的小型化需求；单套打印系统即可完成从墨水调配到三维结构一体成型的全流程，屏蔽与散热两个功能在同一个结构上实现。此外水性纤维素基墨水不含有毒溶剂，实验室与量产环节的废液处理负担都较轻。

需要注意的边界是：多孔碳基结构的屏蔽以吸收为主，这一特性在需要严格反射隔离的场合未必适用；同时 0.076 g/cm³ 的低密度结构机械强度有限，作为独立承力件不现实，更适合作为附着在封装层上的功能涂覆结构。

本文碳基共形屏蔽模组3D打印整套工艺思路，可匹配各类电子材料科研实验需求。天津铂邦科技专注DIW浆料直写设备研发制造，可根据科研、量产需求，提供标准化打印整机、软硬件系统定制、专属浆料工艺全流程技术服务。