专栏名称: 研之成理

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刘晓芳教授团队AFM: 吸收型电磁干扰屏蔽和多模式智能响应的有机水凝胶相变微电容网络

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-12-26 23:08

正文

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▲第一作者：方明

通讯作者：刘晓芳

通讯单位：北京航空航天大学材料科学与工程学院

论文DOI：10.1002/adfm.202418870 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

全文速览

这项研究提出了一种基于微电容网络的策略，作为传统导电渗透网络的替代方案，用于开发高性能电磁干扰（EMI）屏蔽材料。通过原位聚合，将石蜡-纳米粘土/MXene核壳微球均匀嵌入水凝胶基体中，构建了以微球壳层和水凝胶分别作为电容板和介电层的微电容网络。微电流、界面极化和偶极子极化效应显著增强电磁波衰减能力，实现吸收主导的EMI屏蔽（吸收系数> 0.7）。同时，氢键和石蜡相的协同作用提升了机械性能（强度~0.64 MPa，伸长率 > 1000%）。由于微球中石蜡相的固液相变特性，有机水凝胶展现出在室温下保持高温屏蔽性能的独特能力。这一特性不仅增强了材料的室温屏蔽效果，还使其能够实现多模式智能响应。在相同的室温变形模式下，该材料可通过响应不同外部刺激，表现出可编程的屏蔽性能调控，既能适应室温变化，又能模拟高温变化。

背景介绍

电子设备和无线通信技术的快速发展显著增加了电磁干扰，对电子系统安全和健康构成威胁。因此，开发高性能电磁屏蔽材料至关重要。随着可穿戴和柔性电子设备的普及，电磁屏蔽材料需兼具柔韧性、拉伸性和智能响应能力，以适应多样化应用需求。导电水凝胶及其衍生的有机水凝胶因其柔韧性、拉伸性和刺激响应行为成为电磁屏蔽材料的潜力候选者。然而，目前研究主要通过导电渗流网络提高电导率，从而增强屏蔽性能，但这种方法易引起强反射和二次污染。因此未来研究应优先开发以吸收为主的屏蔽材料。尽管多孔结构（如气凝胶和泡沫）能提高材料吸收系数，但缺乏足够的拉伸性。孤立微电容器结构有助于增强电磁波吸收，为新型吸收主导屏蔽材料提供思路。但仍需进一步探索其制备方法、电磁波相互作用机制及智能响应特性。

本文亮点

（ 1 ）传统电磁屏蔽材料具备高效的导电网络，能强烈反射电磁波，造成了二次电磁污染。这项工作提出了一种微电容网络模型设计策略，通过将石蜡 - 纳米粘土 /MXene 核壳微球均匀分散于水凝胶基质中，构造了三维平行板微电容网络，实现了吸收主导的屏蔽机制，大幅度降低了电磁波反射。

（ 2 ）有机水凝胶通过物理交联和动态氢键的协同作用，具备高达 0.64 MPa 的拉伸强度和超过 1000% 的断裂伸长率。由于石蜡微球固 - 液相变特性，材料表现出温度敏感的力学性能，可以通过温度调控其强度和拉伸性能，以满足不同的应用需求。

（ 3 ）石蜡微球固液相转变诱导的形状记忆效应使有机水凝胶能在室温模拟高温电磁屏蔽性能。这一功能不仅在宽应变范围内提高了屏蔽效能 SE 值；而且使有机水凝胶能在不同外部刺激下呈现多样化的屏蔽性能及调控模式。例如，在 300% 应变下，凝胶既可作为透波材料（ SE~7.3 dB ），也可作为屏蔽材料（ SE~21 dB ）。此外，材料经历收缩变形时，其 SE 值可表现出典型的室温响应行为（ SE 值增加），也可以模拟高温响应—— SE 值增加、减小或保持不变。

图文解析

图 1 ：（ a ） M- 有机水凝胶的合成流程示意图。（ b ） M- 有机水凝胶的显微镜图像。（ c 、 d ） M- 有机水凝胶的共聚焦激光显微镜图像。（ e ）冷冻干燥的 M- 有机水凝胶的 SEM 图像。（ f ）分离的石蜡微球的 SEM 图像及相应的 EDS 图。（ g ）石蜡 - 纳米黏土 /MXene 核壳微球的 XPS 高分辨率 Ti 2p 谱图。（ h ）纳米黏土和纳米黏土 /MXene 稳定的皮克林乳液的乳化指数值。（ i ） LMA 、 AAm 、水凝胶以及水油比为 2:2 的 M - 有机水凝胶的 FT-IR 谱图。（ j ）不同水油比的 M- 有机水凝胶的 XRD 图谱。

图 2 ：（ a ）在 25℃ 时， M- 水凝胶和 M- 有机水凝胶的应力 - 应变曲线。（ b ） M- 有机水凝胶 -2:2 与先前报道的其他 EMI 屏蔽 M- 水凝胶 / 有机水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率对比情况。（ c ） M- 有机水凝胶 -2:2 的差示扫描量热（ DSC ）曲线。（ d-e ）分别展示在 25℃ 和 70℃ 下拉伸 M- 有机水凝胶 -2:2 的照片。（ f ）在 70℃ 时， M- 水凝胶和 M- 有机水凝胶的应力 - 应变曲线。（ g ）在 25℃ 和 70℃ 时， M- 水凝胶和 M- 有机水凝胶的拉伸强度。（ h ）在 25℃ 和 70℃ 时， M- 水凝胶和 M- 有机水凝胶的断裂伸长率。（ i ）在 25℃ 和 70℃ 下， M- 有机水凝胶 -2:2 在不同拉伸应变时的循环拉伸曲线。（ j ）在 25℃ 和 70℃ 下， M- 有机水凝胶 -2:2 在 150% 拉伸应变时的循环拉伸曲线。

图 3 ：（ a ） M- 水凝胶和 M- 有机水凝胶在 Ku 波段的 EMI SE 曲线。（ b ） M- 水凝胶和 M- 有机水凝胶在 Ku 波段的 SE _A 、 SE _R 以及 SE _T 值。（ c ） M- 水凝胶和 M- 有机水凝胶在 Ku 波段的功率系数（ A 、 R 、 T ）。（ d ） M- 水凝胶和 M- 有机水凝胶在 Ku 波段的 g _s 值。（ e ） SE _T （ Ku 波段）的实验值与理论值之间的对比情况。（ f ） M- 水凝胶和 M- 有机水凝胶的电导率以及平均总屏蔽效能值（ Ku 波段）。

图 4 ：（ a ）微电容器网络模型示意图及相关 EMI 屏蔽机制。（ b ） M- 有机水凝胶模型中的模拟电流密度。（ c ） M- 有机水凝胶模型中的模拟电场。（ d ）纯水凝胶基质模型中的模拟电流密度。（ e ）纯水凝胶基质模型中的模拟电场。（ f ）在 Ku 波段内，含有不同 MXene 浓度的 M- 有机水凝胶的平均 SE _T 值和 A 值。

图 5 ：（ a ）在 25℃ 下测量的 M- 有机水凝胶 -2:2 在 Ku 波段不同拉伸应变时的 SE 曲线。（ b ）在 70℃ 下测量的 M- 有机水凝胶 -2:2 在 Ku 波段不同拉伸应变时的 SE 曲线。（ c ） M- 有机水凝胶 -2:2 在 25℃ 和 70℃ 下平均 SE _T 值随拉伸应变的变化情况。（ d-e ）分别为在 70℃ 、 50% 应变下 M- 有机水凝胶 -2:2 内模拟电流密度和电场分布情况。（ f ）在 25℃ 和 70℃ 下， M- 有机水凝胶 -2:2 在 150% 应变下循环拉伸 - 释放过程中 SE _T 值的变化情况。（ g ）在 25℃ 和 70℃ 下， M- 有机水凝胶 -2:2 在 300% 应变下循环拉伸 - 释放过程中 SE _T 值的变化情况。

图 6 ：展示 M- 有机水凝胶 -2:2 （ a ）通过形状记忆效应在室温下保持高温性能的过程（应变： 0 - 50% ）的照片。（ b ）在不同状态下的 CLSM 图像。（ c ）在收缩前（ 50% 应变时）和收缩后（ 0% 应变时）的室温 SE _T 值。红色柱：通过热刺激收缩，蓝色柱：通过应力释放收缩。（ d ）在 50% 应变下循环形状记忆过程中 SE _T 值的变化情况。（ e ）通过形状记忆效应在室温下保持高温性能的过程（应变： 0 - 150% ）的照片，（ f ）在不同状态下的 CLSM 图像。（ g ）在收缩前（ 150% 应变时）和收缩后（ 0% 应变时）的室温总屏蔽效能（ SET ）值。红色柱：通过热刺激收缩，蓝色柱：通过应力释放收缩。（ h ）在 150% 应变下循环形状记忆过程中 SE _T 值的变化情况。（ i ）与先前报道的其他以吸收为主的 EMI 屏蔽水凝胶 / 有机水凝胶之间综合性能的比较。

参考文献： M. Fang, L. Huang, Z. Cui, P. Yi, H. Zou, X. Li, G. Deng, C. Chen, Z. Geng, J. He, X. Sun, J. Shui, R. Yu, X. Liu, Phase-Transition Microcapacitor Network in Organohydrogel for Absorption-Dominated Electromagnetic Interference Shielding and Multi-Mode Intelligent Responsiveness. Adv. Funct. Mater. 2024, 2418870.

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202418870