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原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Li Y, Zhang M, Chen J, et al. Ceramic-based electromagnetic interference shielding materials: mechanisms, optimization strategies, and pathways to next-generation applications. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221194
文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221194
1、导读
该综述深入分析了陶瓷基电磁屏蔽材料的屏蔽机理、先进的合成方法和材料优化策略，讨论了传统陶瓷（如氧化物、碳化物、硼化物、氮化物和铁氧体）和新兴陶瓷（如聚合物衍生陶瓷、MAX相陶瓷和高熵陶瓷）的研究进展（图1）。此外，该综述从四个方面展望了陶瓷基电磁屏蔽材料在未来的研究方向，包括微结构工程构筑高效电磁屏蔽陶瓷、先进的制造技术用于电磁屏蔽陶瓷、多功能集成电磁屏蔽陶瓷以及人工智能驱动电磁屏蔽陶瓷。
图1 陶瓷基电磁屏蔽材料的发展方向
2、研究背景
随着无线通信和电子设备的快速发展，电磁干扰（EMI）已经成为影响设备可靠性和性能的关键问题，特别是在航空航天、国防和下一代通信系统等高需求领域。传统的屏蔽材料，包括金属和碳基复合材料，面临着固有的局限性，如高重量、易腐蚀和环境稳定性不足。
陶瓷基电磁干扰屏蔽材料由于其可调谐的介电/磁性能、优异的热稳定性和化学稳定性以及良好的成本效益，成为一种有前途的替代材料。然而，在优化其导电性和微观结构以实现高性能电磁屏蔽应用方面仍然存在挑战。
因此，开发轻质、高强度、热稳定且电磁屏蔽性能优异的陶瓷材料，将是应对复杂电磁环境挑战的关键方向。
3、文章亮点
近期，郑州大学材料学院范冰冰教授团队在《Journal of Advanced Ceramics》发表题为Ceramic-based electromagnetic interference shielding materials: mechanisms, optimization strategies, and pathways to next-generation applications的综述论文。该综述详细讨论了陶瓷基复合材料的电磁屏蔽机理、先进的合成方法和材料优化策略，讨论了传统陶瓷（如氧化物、碳化物、硼化物、氮化物和铁氧体）和新兴陶瓷（如聚合物衍生陶瓷、MAX相陶瓷和高熵陶瓷）的研究进展。此外，该综述从四个方面分析了陶瓷基电磁屏蔽材料在未来的研究方向，包括微结构工程构筑高效电磁屏蔽陶瓷、先进的制造技术用于电磁屏蔽陶瓷、多功能集成电磁屏蔽陶瓷以及人工智能驱动电磁屏蔽陶瓷。
4、研究结果及结论
该综述从电磁屏蔽原理和结构优化设计两个方面分析了陶瓷基电磁屏蔽材料的研究思路（图2），并指出陶瓷基电磁屏蔽材料的优化设计需要综合评估电导率、介电性能和微结构特征之间的协同效应。具体而言，利用渗流理论指导填料分布，应用TESPE模型预测介电响应，并集成多尺度结构设计策略，可以开发出高性能的陶瓷基电磁屏蔽材料，以满足新兴电子器件的需求。
图2 陶瓷基电磁屏蔽材料的设计原理：（a）电磁屏蔽机理示意图，（b）用于增强电磁屏蔽效能的结构设计示意图
与传统绝缘陶瓷相比，引入石墨、碳纳米管或石墨烯等导电相可有效赋予陶瓷基体电磁屏蔽功能。此类复合材料在保留陶瓷优异机械性能的同时，凭借形成的导电网络显著提升屏蔽效能。其中，碳材料因高导电性成为理想增强相。通过精准调控导电相的含量、形态与分布，可实现材料介电与导电性能的按需设计，以满足特定应用需求，如图3所示。
图3 制备策略及分层结构设计：（a）SiC@C纳米线超结构气凝胶的制备示意图，（b）分层多孔碳化硅泡沫的SEM照片，（c）不同碳纳米管层数复合膜的截面SEM照片，（d）多层复合膜的电磁屏蔽机理示意图
在中高温区间（300–600°C），常通过掺杂或与碳材料复合提升传统陶瓷的导电性与电磁屏蔽性能。当温度超过1000°C后，无论传统或新兴高熵陶瓷，其屏蔽机制均由传导损耗为主转向以介质弛豫、界面极化等驱动的复杂吸收机制（图4）。然而，长期高温暴露会引起氧化、相变等问题，导致屏蔽性能衰减，且超高温下电磁特性的精确表征仍是该领域面临的关键挑战。
图4 (Sr0.25Ba0.25Ca0.25La0.25)TiO3陶瓷的电磁屏蔽性能及其机理示意图
面对高熵陶瓷在成分、尺度及多场耦合环境下的高度复杂性，传统试错法已难以胜任。通过融合第一性原理计算、分子动力学与机器学习，可构建从原子到宏观的“成分-结构-性能”映射关系，实现性能预测与逆向设计。如图5所示，第一性原理计算可评估电子结构、力学稳定性与热物理性质，辅助筛选候选组分；分子动力学模拟揭示高温下的相变、氧化与变形机制；机器学习模型学习复杂非线性关系，推荐最优配方与工艺，显著减少实验次数，提升开发效率。尽管当前描述符的通用性与预测精度仍存挑战，但多尺度建模与数据驱动方法已展现出在高温高熵陶瓷设计中实现高效、定向优化的强大潜力。
陶瓷基电磁屏蔽材料未来的研究重点应集中在以下几个方面：（1）宽带兼容性设计：开发频率自适应陶瓷复合材料，满足5G/6G和太赫兹技术的通信需求；（2）多功能集成：将电磁屏蔽与热管理、机械承重、环境保护相结合，满足航空航天、大功率电子等极端环境的要求；（3）智能响应材料：研究能够响应温度、电场或磁场的陶瓷，用于动态屏蔽调节；（4）人工智能驱动的创新：利用机器学习和高通量计算方法来加速材料发现、性能预测和工艺优化，从而克服传统试错方法的局限性。
图5 （a）数据集组成，（b）关于分类特征的one-hot示意图，（c）模型训练过程示意图，（d）特征的框图和散点图
5、作者及研究团队简介
李阳（第一作者），郑州大学副研究员/硕士生导师，主要从事功能陶瓷、电磁防护涂层和高分子基功能涂层材料研究。主持国家自然科学基金青年基金、河南省科技攻关等科研项目3项，获河南省自然科学二等奖1项。在国际知名期刊《Journal of Advanced Ceramics》、《Carbon Energy》、《Small》、《Composites Part B: Engineering》等发表SCI论文30余篇，累计引用2000余次，h指数20。
作者邮箱：liyang119@zzu.edu.cn
作者ORCID：https://orcid.org/0000-0001-6671-2666
范冰冰（通讯作者），郑州大学教授/博士生导师，主要从事电磁波与材料相互作用机理（透波、吸波和屏蔽）研究。主持国家自然科学基金面上项目、河南省科技研发计划联合基金重点项目、河南省杰出青年基金、英国皇家学会Wolfson基金等项目10余项，获河南省技术发明一等奖（排名第一）、第二十四届中国专利奖银奖等奖励10余项。发表SCI论文110余篇，其中ESI高被引论文10篇，热点论文7篇，授权发明和实用新型专利30余项。
作者ORCID：https://orcid.org/0000-0002-1168-1142
作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：
1）Li M, Li W, Wang Y, et al. Entropy-driven microwave absorption enhancement in hexagonal (Ba1/3Sr1/3Ca1/3)FeO3 perovskite. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(4): 9221059. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221059
2）Li Y, Qing Y, Zhang Y, et al. Simultaneously tuning structural defects and crystal phase in accordion-like TixO2x−1 derived from Ti3C2Tx MXene for enhanced electromagnetic attenuation. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(10): 1946-1960. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220799
3）Wu C, Zhang F, Zhi Q, et al. From binary to ternary and back to binary: Transition of electromagnetic wave shielding to absorption among MAB phase Ni3ZnB2 and corresponding binary borides Nin+1Bn (n = 1, 3). Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(11): 2101-2111. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220812
4）HU F, ZHANG F, WANG X, et al. Ultrabroad band microwave absorption from hierarchical MoO3/TiO2/Mo2TiC2Tx hybrids via annealing treatment. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(9): 1466-1478. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-022-0624-0
《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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