隨著柔性電子器件及高密度集成電路的快速發展，電子設備產生的電磁輻射已成為繼噪聲、水污染后的新型環境干擾源，易引發周邊設備性能退化甚至功能失效。為應對電磁污染問題，開發兼具高屏蔽效能與柔韌特性的電磁干擾（EMI）屏蔽材料至關重要。然而，傳統導電復合材料因阻抗失配導致電磁波強反射，雖能實現屏蔽效果卻產生二次污染；同時，現有材料難以在維持高導電率的前提下優化阻抗匹配以增強電磁波吸收效能。研究表明，基于多孔結構、導電網絡與極性基團協同作用的聚合物水凝膠，可通過多重反射、導電損耗及極化損耗機制衰減電磁波，為開發吸收主導型EMI屏蔽材料提供新思路。

近日，西北工業大學劉旭慶教授和英國曼徹斯特大學陳黎明博士團隊在《Nano-Micro Letters》上，發表了最新研究成果“Aramid Nanofiber/MXene-Reinforced Polyelectrolyte Hydrogels for Absorption-Dominated Electromagnetic Interference Shielding and Wearable Sensing”。研究者利用聚電解質2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸（AMPS）與殼聚糖（CS）的獨特特性以及芳綸納米纖維（ANF）和二維材料MXene間的導電性差異，構建了ANF/MXene增強聚電解質水凝膠，該復合水凝膠展現出出色的EMI屏蔽效果、良好的力學性能、優異的粘附性、可靠的人體運動信號監測能力等特性。這一創新性設計借助聚電解質分子鏈中親水極性基團的水合作用生成具有高遷移自由度的中間水（IW），在提升水凝膠離子電導率的同時促進水分子在電磁場作用下的極化弛豫與分子重排，從而實現以吸收作用為主導的EMI屏蔽性能。

圖1：ANF/MXene增強聚電解質水凝膠的制備過程和設計策略。

如圖1所示，聚電解質鏈上的-SO3H、-NH2等極性基團通過水合作用形成結合水（BW），其與自由水（FW）間通過氫鍵重構形成高遷移IW。這種獨特的IW結構可促進電磁場誘導的水分子極化弛豫與分子重排，同時聚電解質提供的離子傳導路徑顯著提升體系導電性。實驗證實，該水凝膠通過靜電吸引、氫鍵等非共價作用實現與人體皮膚的高效粘附；其內部形成的三維導電網絡與活化水分子協同作用，展現出吸收主導型EMI屏蔽特性與可穿戴傳感功能集成潛力。

圖2：復合聚電解質水凝膠的基礎表征。

如圖2所示，SEM、流變等測試結果表明，經ANF與MXene協同增強的聚電解質水凝膠具有更規整的孔隙結構，引入的填料可同時提升儲能模量與損耗模量。采用DSC測試驗證復合水凝膠中活化水與本體水的差異，本體水形成的冰晶在約0°C時吸熱熔融，而A5M1.5PC水凝膠在-19.81°C處出現的寬吸收峰歸因于高含水量下IW與FW峰的合并。值得注意的是，水凝膠鏈中極性基團與水分子間定向氫鍵的強相互作用，限制了冷卻過程中水分子的運動，導致曲線中未能檢測出BW。此外，富含IW的復合水凝膠可降低沸點。

通過Raman光譜進一步定性分析IW與FW，A5M1.5PC水凝膠在O-H伸縮振動區的譜線根據氫鍵強度解卷積為四個子峰：3226 cm-1與3343 cm-1處的峰歸屬于具有兩個質子與兩對電子參與氫鍵形成的FW分子；3468 cm-1與3608 cm-1處的峰則對應于與鄰近水分子呈弱氫鍵或無氫鍵結合的IW分子。由此表明，通過聚電解質活化水分子是一種有效策略，可減少電磁場極化弛豫引發的水分子形變與位移阻力。

圖3：復合聚電解質水凝膠的力學性能。

作者通過系統的力學測試揭示了ANF/MXene協同增強機制（圖3）。研究結果表明，ANF/MXene增強的復合水凝膠具有優異的力學強度和斷裂伸長率。其中，ANF對力學強度的提升效果更為顯著，適量MXene則有助于形成均勻的復合網絡結構。基于親/疏水性差異，A5M1.5PC水凝膠內部形成富水基體相與疏水ANF富集相；親水MXene通過氫鍵以及氫鍵與靜電作用分別與ANF及水凝膠基體形成穩固連接，起到應力傳遞橋梁作用，將基體應力充分轉移至ANF增強相，從而優化整體力學性能。此外，搭接-剪切測試結果證明該復合水凝膠具有強粘附性，可實現其與人體的無縫集成，以確保生理信號的高保真采集。

圖4：復合聚電解質水凝膠在X波段的EMI屏蔽性能。

作者研究了厚度、填料、拉伸作用及水分子狀態對復合水凝膠在X波段EMI屏蔽性能的影響（圖4）。復合水凝膠的總屏蔽效能（EMI SET）與吸收效能（SEA）均隨厚度增加而大幅提升，但平均反射效能（SER）變化較小。填料組成對屏蔽性能影響顯著：無填料A0M0PC屏蔽效能最低；單一填料體系中MXene因構建連續導電網絡產生主導性導電損耗，其屏蔽效能提升優于ANF；雙填料A5M1.5PC因MXene與ANF間巨大電導率差異促進多重內反射與界面極化損耗，屏蔽效能最高。施加拉伸作用時，屏蔽效能隨拉伸率增加而下降，這歸因于厚度減薄與MXene導電網絡斷裂。值得注意的是，中心區域厚度變化隨拉伸應變增加而趨緩，導致拉伸率從0%增至50%時效能降幅大于50%至100%階段。為闡明水分子在EMI屏蔽中的特定作用，對干燥態與冷凍態復合水凝膠進行對比測試。干燥處理使屏蔽效能驟降，且厚度影響減弱，證實水分子是復合水凝膠優異屏蔽性能的關鍵因素。超低溫（-80°C）凍結使IW與FW結晶化，限制其極化弛豫與隨電磁場響應的位移，導致冷凍態屏蔽效能顯著下降。上述結果表明，具有弱分子間作用力的活化水更利于電磁波衰減。聚電解質鏈通過削弱水分子間氫鍵強度，優化電磁屏蔽性能的核心機制得以驗證。

圖5：復合聚電解質水凝膠在THz波段的EMI屏蔽性能。

如圖5所示，復合水凝膠在THz波段展現出卓越屏蔽性能。THz-TDS測試表明，在0.2-3 THz范圍內，最大EMI SET約110 dB，吸收率高達90%~99%。與X波段不同，THz屏蔽效能主要由水凝膠基體主導。干燥態復合水凝膠的THz測試顯示，其仍能顯著消耗入射波，但在低頻THz范圍屏蔽效能較弱。多孔結構使其在無水條件下仍可有效耗散高頻短波長THz波，本質原因在于水分子中永久偶極子無法響應高頻電磁場變化。綜合分析，水分子在X波段及THz低頻區展現出更優異的電磁波衰減能力。

圖6：復合水凝膠的EMI屏蔽機理圖。

作者對復合水凝膠的EMI屏蔽機制進行了系統總結與圖示解析，其作用機制包含多級協同過程（圖6）。

圖7：復合水凝膠的應變傳感性能。

復合水凝膠展現出卓越的傳感性能，可作為高靈敏度應變傳感器用于實時運動監測（圖7）。

論文鏈接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-025-01791-4