第一作者：Ming Fang

通訊作者：Xiaofang Liu

通訊單位：北京航空航天大學

DOI: 10.1002/adfm.202418870

背景介紹

電子設備和無線通信技術的快速發展極大地增加了電磁干擾（EMI），這會破壞敏感的電子系統并帶來潛在的健康風險。因此，開發高性能的EMI屏蔽材料對于確保電子設備的可靠性和安全性至關重要。近年來，隨著可穿戴和柔性電子產品越來越多地融入日常生活，對靈活性和可拉伸性的額外需求迅速增長。此外，為了適應不同的應用場景，EMI屏蔽材料需要表現出智能響應能力，使其能夠根據外部刺激動態調整其性能?？衫?、智能、高性能的EMI屏蔽材料對于下一代技術至關重要，它提供了一種結合了適應性、功能性和智能響應性的解決方案。

導電水凝膠及其衍生物有機水凝膠因其柔韌性、可拉伸性、優異的皮膚親和力和刺激響應行為而成為下一代EMI屏蔽材料的有前景的候選者。盡管這些材料顯示出屏蔽電磁波的潛力，但研究仍處于早期階段。目前，電磁干擾屏蔽性能的提高主要由西蒙方程指導，該方程強調通過構建導電滲流網絡來提高電導率，從而增強屏蔽效率（SE）。這已成為該領域廣泛接受的設計原則。因此，人們一直在努力將石墨烯、MXene、碳納米管等高導電填料摻入凝膠系統中，以顯著提高電導率。然而，這種方法通常會導致阻抗匹配不佳，導致強烈的電磁波反射和二次電磁污染。因此，未來的研究應優先發展吸收主導的屏蔽材料，而不是依賴于傳統的反射主導的設計。盡管構建氣凝膠和泡沫等多孔結構已被證明能有效提高屏蔽材料的吸收系數，但這些材料通常表現出良好的壓縮性和彎曲性，但拉伸性有限。張等最近有報道稱，復合材料中的隔離微電容器結構可以增強電磁波吸收，是對主要滲流網絡的有益補充。這項工作激發了將微電容器結構組裝成宏觀網絡的想法，這可能為開發高效的吸收主導屏蔽材料提供了一種新方法。然而，迫切需要探索微電容網絡結構的制備方法，更深入地了解它們與電磁波的相互作用，并研究這種屏蔽材料的智能響應特性。

除了上述限制之外，導電水凝膠/有機水凝膠在平衡EMI屏蔽性能、可拉伸性和機械強度方面也面臨著挑戰。例如，增加水凝膠中導電填料的含量可以提高EMI SE和抗拉強度，但這通常會損害斷裂伸長率，從而降低柔韌性和耐用性。同樣，已經探索了用有機溶劑代替水凝膠中的水來提高韌性和彈性，但這種方法通常會導致屏蔽性能的降低。此外，水凝膠/有機水凝膠中EMI屏蔽性能的動態調節主要依賴于機械變形引起的凝膠厚度和導電網絡結構的變化。余等通過將MXene有機水凝膠從0%應變拉伸到100%應變，其SE從32.8 dB降低到22 dB。應變和SE之間的這種一一對應關系已被廣泛應用于智能EMI屏蔽水凝膠/有機水凝膠的設計中。然而，如果可以打破這種一對一的相關性，使材料在相同的變形下表現出不同的SE值，這將實現多種屏蔽調節模式，大大提高材料的可調性和功能通用性。迄今為止，還沒有研究報告此類進展。

本文亮點

1. 本工作提出了一種微電容網絡策略，作為EMI屏蔽材料傳統導電滲流網絡的替代方案。石蠟納米粘土/MXE核殼微球通過原位聚合均勻地整合到水凝膠基質中，形成微電容器網絡，其中微球殼和水凝膠分別用作電容器板和介電層。

2. 電容器板上的微電流和界面極化，以及介電層內的偶極極化，顯著促進了以吸收為主的EMI屏蔽的EM波衰減（吸收系數>0.7）。

3. 豐富的氫鍵和石蠟相協同提高了機械強度（≈0.64 MPa）和拉伸性（斷裂伸長率>1000%）。

4. 由于微球中石蠟相的固液相變，有機水凝膠表現出在室溫下保持高溫屏蔽性能的獨特能力。此功能增強了室溫屏蔽效果，并實現了多模式智能響應。

圖文解析

圖1. a） M-有機水凝膠合成示意圖。b） M-有機水凝膠-2:2的顯微鏡圖像。插圖：顯示M-有機水凝膠的照片。c、 d）M-有機水凝膠-2:2的CLSM圖像。e） 凍干M-有機水凝膠-2:2的SEM圖像。f） 分離石蠟微球的SEM圖像和相應的元素映射。g） 石蠟納米粘土/MXE核殼微球的XPS高分辨率Ti 2p光譜。h） 分別用納米粘土和納米粘土/MXE穩定的Pickering乳液的乳化指數（EI%）值。i） LMA、AAm、水凝膠和M-有機水凝膠的FT-IR光譜為2:2。j） 不同水油比的M-有機水凝膠的XRD圖譜。

圖2. a） M-水凝膠和M-有機水凝膠在25°C下的應力-應變曲線。b） M-有機水凝膠-2:2和之前報道的其他電磁干擾屏蔽M-水凝膠/有機水凝膠的拉伸強度和斷裂伸長率的比較。c） M-有機水凝膠的DSC曲線為2:2。d、 e）分別在25和70°C下拉伸M-有機水凝膠-2:2的照片。f） M-水凝膠和M-有機水凝膠在70°C下的應力-應變曲線。g） M-水凝膠和M-有機水凝膠在25和70°C下的拉伸強度。h） M-水凝膠和M-有機水凝膠在25和70°C下的斷裂伸長率。i） M-有機水凝膠-2:2在25和70°C下具有不同拉伸應變的循環拉伸曲線。j） M-有機水凝膠-2:2在25和70°C下具有150%拉伸應變的循環拉伸曲線。

圖3. a） Ku波段M-水凝膠和M-有機水凝膠的EMI SE曲線。b） Ku波段M-水凝膠和M-有機水凝膠的平均SEA、SER和SET值。c） Ku波段M-水凝膠和M-有機水凝膠的功率系數（A，R，T）。d） Ku波段M-水凝膠和M-有機水凝膠的gs值。e） EMI SE（Ku波段）實驗值和理論值的比較。f） M-水凝膠和M-有機水凝膠的電導率和平均SET值（Ku帶）。

圖4. a） 微電容器網絡模型和相關EMI屏蔽機制的示意圖。b） M-有機水凝膠模型中的模擬電流密度。c） M-有機水凝膠模型中的模擬電場。d） 具有純水凝膠基質的有機水凝膠模型中的模擬電流密度。e）具有純水凝膠基體的有機水凝膠模式中的模擬電場。f）Ku帶中不同MXene濃度的M-有機水凝膠的平均SET和a值。

圖5. a） 在25°C下測量的M有機水凝膠-2:2在Ku帶不同拉伸應變下的SE曲線。b） 在70°C下測量的M有機水凝膠-2:2在Ku帶不同拉伸應變下的SE曲線。c） 在25和70°c下，M-有機水凝膠-2:2的平均SET值隨拉伸應變的變化。d、 e）分別模擬50%應變（70°C）下M-有機水凝膠中的電流密度和電場分布。f） 在25和70°C的150%應變下，M-有機水凝膠-2:2在循環拉伸釋放過程中的SET值變化。g） 在25和70°C的300%應變下，M-有機水凝膠-2:2在循環拉伸釋放過程中的SET值變化。

圖6. a） 照片顯示了M-有機水凝膠-2:2通過形狀記憶效應（應變：0-50%）在室溫下保持高溫性能的過程。b） 不同狀態下M-有機水凝膠-2:2的CLSM圖像。c） 收縮前（50%應變下）和收縮后（0%應變下）M-有機水凝膠-2:2的室溫設定值。紅色柱：通過熱刺激收縮，藍色柱：通過應力釋放收縮。d） 在50%應變下，M-有機水凝膠-2:2在循環形狀記憶過程中的SET值變化。e） 照片顯示了M-有機水凝膠-2:2通過形狀記憶效應（應變：0-150%）在室溫下保持高溫性能的過程。f） 不同狀態下M-有機水凝膠-2:2的CLSM圖像。g） 收縮前（150%應變下）和收縮后（0%應變下）M-有機水凝膠-2:2的室溫設定值。紅色柱：通過熱刺激收縮，藍色柱：通過應力釋放收縮。h） 在150%應變下，M-有機水凝膠-2:2在循環形狀記憶過程中的SET值變化。i） M-orgnaohydrol-2:2與之前報道的其他以吸收為主的EMI屏蔽水凝膠/有機水凝膠的綜合性能比較。注：SE、A和SE/d值在X波段測量。

來源：柔性傳感及器件