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背景介紹

隨著電子設備和無線通信技術的快速發展，電磁干擾（EMI）問題日益嚴重，傳統的反射型EMI屏蔽材料難以滿足現代需求。因此，開發新型高效吸收型EMI屏蔽材料迫在眉睫。該材料應具備高效吸收電磁波、輕質柔韌以及智能響應性等特點。導電水凝膠及其衍生的有機水凝膠因其柔韌性和可拉伸性成為理想候選材料，但現有研究主要通過提高電導率來增強屏蔽效率，易導致電磁波反射和二次污染。

相變材料（PCM）的引入為解決上述問題提供了新思路。相變材料能夠在特定溫度下發生相變，動態調節材料的電磁特性，并吸收電磁波能量。將相變材料與導電水凝膠結合，構建相變微電容網絡，可以實現高效的吸收主導型EMI屏蔽，并賦予材料智能響應能力。這種方法不僅能提高吸收效率，還能根據溫度變化調節屏蔽性能。然而，如何在保持高EMI屏蔽性能的同時，平衡材料的可拉伸性和機械強度，仍需進一步研究。通過引入相變材料并結合智能響應機制，有望開發出高性能、多功能調節的EMI屏蔽材料。

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成果掠影

近日，北京航空航天大學劉曉芳團隊聯合提出了一種基于微電容網絡的策略，作為傳統導電滲透網絡的替代方案，用于開發高性能電磁干擾（EMI）屏蔽材料。通過原位聚合，將石蠟納米粘土/MXene (MXE) 核殼微球均勻地整合到水凝膠基質中，構建了獨特的微電容器網絡結構。在此結構中，微球殼層和水凝膠分別作為電容器板和介電層，通過界面極化和偶極極化機制，有效促進了電磁波的衰減，實現吸收主導的EMI屏蔽（吸收系數> 0.7）。同時，氫鍵和石蠟相的協同作用提升了機械性能（強度~0.64 MPa，伸長率 > 1000%）。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。在相同的室溫變形模式下，該材料可通過響應不同外部刺激，表現出可編程的屏蔽性能調控，既能適應室溫變化，又能模擬高溫變化。研究成果以“Phase-Transition Microcapacitor Network in Organohydrogel for Absorption-Dominated Electromagnetic Interference Shielding and Multi-Mode Intelligent Responsiveness”為題發表在《Advanced Functional Materials》期刊。

03

圖文導讀

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。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。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。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。

來源 | Advanced Functional Materials，洞見熱管理

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