主要亮点
文章系统阐述了超临界二氧化碳（scCO2）发泡技术在电磁防护领域的核心优势与最新进展，揭示了“泡孔诱导填料重排”实现低填充下高效导电网络的关键机制。文章创新性地将电磁防护泡沫分为柔性体系（面向可穿戴设备）与刚性体系（面向航空航天结构件），并系统梳理了从单层梯度结构到多层异质结构的演变规律。通过解耦阻抗匹配与电磁衰减功能，多层/梯度结构设计成功实现了从“反射主导”向“吸收主导”的屏蔽模式转变，显著抑制了二次电磁污染。此外，综述还前瞻性地提出了规模化连续生产、多物理场仿真辅助逆向设计以及功能填料闭环回收等未来发展方向，为轻质、高效、可持续的下一代电磁防护材料提供了系统的理论指导与技术路线。
scCO2基电磁防护泡沫的结构设计与应用综述
研究背景
随着无线通信和电子设备的普及，电磁污染已成为一个不容忽视的问题，不仅干扰设备正常运行，还可能对人体健康构成威胁。因此，开发高效的电磁防护材料具有重要的现实意义。然而，传统材料往往难以兼顾“轻质”与“高效屏蔽”的性能要求，且主要以反射电磁波为机制，容易引发二次污染。近年来，scCO2发泡技术展现出独特优势。该技术利用scCO2在聚合物中的溶解及快速泄压过程，能够形成可控的微孔结构。这种结构在材料内部构建了复杂的损耗路径。同时，scCO2发泡技术不仅显著降低材料密度，还通过“气体模板”效应诱导导电或磁性填料在泡孔壁区域发生选择性重排，从而形成高效的损耗网络。
本综述系统梳理了scCO2发泡技术的原理与机制，并从柔性到刚性、从单层到多层结构的角度，深入分析了如何通过理性设计实现电磁防护性能从“反射主导”向“吸收主导”的转变，为开发新一代轻质、高效、可持续的电磁防护材料提供了清晰的理论基础和技术路线。
核心内容
01 技术基石：scCO2发泡原理与填料重排机制
scCO2发泡的核心在于其温和的临界条件（31.1°C, 7.38 MPa）和对聚合物的强亲和力。整个过程分为四步：溶解塑化 → 快速泄压成核 → 气泡生长 → 定型固化。通过精准调控温度、饱和压力和泄压速率，可以精确设计泡孔的尺寸、密度和形貌。
更精妙的是，发泡过程中的气泡生长会驱动填料重新排布（图2b）。一维/二维填料（如碳纳米管、石墨烯）会被“挤压”并定向排列在泡孔壁上，形成高效的三维导电网络。这种独特的 “泡孔诱导取向” 结构，如同在绝缘的聚合物基体中，沿着泡孔壁修建了一条条“导电高速公路”，在极低填料含量下即可实现优异的电磁屏蔽性能。
发泡过程示意图及填料重排模拟结果
02 柔性体系：从单层调控到多层协同
柔性单层泡沫： 面向可穿戴设备与共形天线等新兴领域，柔性电磁防护材料的研究已从初期的单层复合泡沫向精密结构设计演进。研究人员通过调节发泡温度，成功实现了频率选择性屏蔽；借助流体辅助拉伸等工艺创新，显著提升了复合泡沫的电磁干扰屏蔽效能。更有研究通过构建填料梯度与孔结构梯度的双梯度结构，将材料的吸收系数提升至0.75以上，有效减少了电磁波的二次反射污染。
柔性单层泡沫结构设计及性能对比
柔性多层泡沫： 为解耦“阻抗匹配”与“衰减”功能，多层结构设计应运而生。通过构建导电层含量梯度变化的三层复合泡沫，利用多层界面反射效应，材料的电磁干扰屏蔽效能较单层显著提升，且主导机制从反射成功转变为吸收。代表性的多层泡沫设计实现了吸收率高达77%、屏蔽效能达68 dB的卓越性能，且经过数百次剥离测试后性能依然稳定，展现出优异的实用化潜力。
柔性多层泡沫结构设计及性能对比
03 刚性体系：高性能与多功能集成
刚性单层泡沫： 面向航空航天、5G基站等需要结构支撑的领域，刚性泡沫的研究聚焦于耐高温、高强度和吸收主导型设计。在高性能工程塑料体系中，scCO2发泡能大幅降低导电渗流阈值，在保持优异热稳定性的同时，使比屏蔽效能获得近八倍的显著提升。更有研究人员通过精准调控泡孔尺寸，在仅4 mm厚度下实现了覆盖整个Ku波段的宽频吸收，最小反射损耗低至－71.8 dB，展示了卓越的吸波性能。
刚性单层泡沫结构设计及性能对比
刚性多层/梯度泡沫： 通过构建“泡沫层（低介电，实现阻抗匹配）/致密层（高导电，强化衰减）”的梯度结构，可最大化电磁波的内部吸收。利用scCO2饱和梯度，研究人员一步法制备了具有梯度结构的复合材料。通过堆叠不同孔径的功能层，材料的吸收系数可高达0.90。更有研究将形状记忆功能集成其中，开发出比屏蔽效能极高的智能泡沫，展现了在智能响应与高性能防护协同方面的巨大潜力。
刚性多层泡沫结构设计及性能对比
结论与展望
scCO2发泡技术为开发轻质、吸收主导型电磁防护材料提供了强大平台，成功实现了多孔结构与填料网络的协同优化。然而，从实验室走向工业化仍面临规模化与成本、结构-工艺-性能关联以及可持续性等挑战，需发展连续化生产工艺，结合原位表征与多物理场仿真、机器学习实现逆向设计，并开发高价值填料的无损分离与闭环回收技术。未来，scCO2发泡技术将继续融合智能响应、自修复等功能，推动电磁防护材料向更智能、更环保、更高性能的方向发展，满足航空航天和下一代电子设备的严苛需求。
原文连接
https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.1016/j.actphy.2026.100300
