《AFM》北京航空航天大学：有机水凝胶相变微电容器网络用于吸收主导电磁干扰屏蔽和多模智能响应

第一作者：Ming Fang

通讯作者：Xiaofang Liu

通讯单位：北京航空航天大学

DOI: 10.1002/adfm.202418870

背景介绍

电子设备和无线通信技术的快速发展极大地增加了电磁干扰（EMI），这会破坏敏感的电子系统并带来潜在的健康风险。因此，开发高性能的EMI屏蔽材料对于确保电子设备的可靠性和安全性至关重要。近年来，随着可穿戴和柔性电子产品越来越多地融入日常生活，对灵活性和可拉伸性的额外需求迅速增长。此外，为了适应不同的应用场景，EMI屏蔽材料需要表现出智能响应能力，使其能够根据外部刺激动态调整其性能。可拉伸、智能、高性能的EMI屏蔽材料对于下一代技术至关重要，它提供了一种结合了适应性、功能性和智能响应性的解决方案。

导电水凝胶及其衍生物有机水凝胶因其柔韧性、可拉伸性、优异的皮肤亲和力和刺激响应行为而成为下一代EMI屏蔽材料的有前景的候选者。尽管这些材料显示出屏蔽电磁波的潜力，但研究仍处于早期阶段。目前，电磁干扰屏蔽性能的提高主要由西蒙方程指导，该方程强调通过构建导电渗流网络来提高电导率，从而增强屏蔽效率（SE）。这已成为该领域广泛接受的设计原则。因此，人们一直在努力将石墨烯、MXene、碳纳米管等高导电填料掺入凝胶系统中，以显著提高电导率。然而，这种方法通常会导致阻抗匹配不佳，导致强烈的电磁波反射和二次电磁污染。因此，未来的研究应优先发展吸收主导的屏蔽材料，而不是依赖于传统的反射主导的设计。尽管构建气凝胶和泡沫等多孔结构已被证明能有效提高屏蔽材料的吸收系数，但这些材料通常表现出良好的压缩性和弯曲性，但拉伸性有限。张等最近有报道称，复合材料中的隔离微电容器结构可以增强电磁波吸收，是对主要渗流网络的有益补充。这项工作激发了将微电容器结构组装成宏观网络的想法，这可能为开发高效的吸收主导屏蔽材料提供了一种新方法。然而，迫切需要探索微电容网络结构的制备方法，更深入地了解它们与电磁波的相互作用，并研究这种屏蔽材料的智能响应特性。

除了上述限制之外，导电水凝胶/有机水凝胶在平衡EMI屏蔽性能、可拉伸性和机械强度方面也面临着挑战。例如，增加水凝胶中导电填料的含量可以提高EMI SE和抗拉强度，但这通常会损害断裂伸长率，从而降低柔韧性和耐用性。同样，已经探索了用有机溶剂代替水凝胶中的水来提高韧性和弹性，但这种方法通常会导致屏蔽性能的降低。此外，水凝胶/有机水凝胶中EMI屏蔽性能的动态调节主要依赖于机械变形引起的凝胶厚度和导电网络结构的变化。余等通过将MXene有机水凝胶从0%应变拉伸到100%应变，其SE从32.8 dB降低到22 dB。应变和SE之间的这种一一对应关系已被广泛应用于智能EMI屏蔽水凝胶/有机水凝胶的设计中。然而，如果可以打破这种一对一的相关性，使材料在相同的变形下表现出不同的SE值，这将实现多种屏蔽调节模式，大大提高材料的可调性和功能通用性。迄今为止，还没有研究报告此类进展。

本文亮点

1. 本工作提出了一种微电容网络策略，作为EMI屏蔽材料传统导电渗流网络的替代方案。石蜡纳米粘土/MXE核壳微球通过原位聚合均匀地整合到水凝胶基质中，形成微电容器网络，其中微球壳和水凝胶分别用作电容器板和介电层。

2. 电容器板上的微电流和界面极化，以及介电层内的偶极极化，显著促进了以吸收为主的EMI屏蔽的EM波衰减（吸收系数>0.7）。

3. 丰富的氢键和石蜡相协同提高了机械强度（≈0.64 MPa）和拉伸性（断裂伸长率>1000%）。

4. 由于微球中石蜡相的固液相变，有机水凝胶表现出在室温下保持高温屏蔽性能的独特能力。此功能增强了室温屏蔽效果，并实现了多模式智能响应。

图文解析

图1. a） M-有机水凝胶合成示意图。b） M-有机水凝胶-2:2的显微镜图像。插图：显示M-有机水凝胶的照片。c、 d）M-有机水凝胶-2:2的CLSM图像。e） 冻干M-有机水凝胶-2:2的SEM图像。f） 分离石蜡微球的SEM图像和相应的元素映射。g） 石蜡纳米粘土/MXE核壳微球的XPS高分辨率Ti 2p光谱。h） 分别用纳米粘土和纳米粘土/MXE稳定的Pickering乳液的乳化指数（EI%）值。i） LMA、AAm、水凝胶和M-有机水凝胶的FT-IR光谱为2:2。j） 不同水油比的M-有机水凝胶的XRD图谱。

图2. a） M-水凝胶和M-有机水凝胶在25°C下的应力-应变曲线。b） M-有机水凝胶-2:2和之前报道的其他电磁干扰屏蔽M-水凝胶/有机水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率的比较。c） M-有机水凝胶的DSC曲线为2:2。d、 e）分别在25和70°C下拉伸M-有机水凝胶-2:2的照片。f） M-水凝胶和M-有机水凝胶在70°C下的应力-应变曲线。g） M-水凝胶和M-有机水凝胶在25和70°C下的拉伸强度。h） M-水凝胶和M-有机水凝胶在25和70°C下的断裂伸长率。i） M-有机水凝胶-2:2在25和70°C下具有不同拉伸应变的循环拉伸曲线。j） M-有机水凝胶-2:2在25和70°C下具有150%拉伸应变的循环拉伸曲线。

图3. a） Ku波段M-水凝胶和M-有机水凝胶的EMI SE曲线。b） Ku波段M-水凝胶和M-有机水凝胶的平均SEA、SER和SET值。c） Ku波段M-水凝胶和M-有机水凝胶的功率系数（A，R，T）。d） Ku波段M-水凝胶和M-有机水凝胶的gs值。e） EMI SE（Ku波段）实验值和理论值的比较。f） M-水凝胶和M-有机水凝胶的电导率和平均SET值（Ku带）。

图4. a） 微电容器网络模型和相关EMI屏蔽机制的示意图。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） 具有纯水凝胶基质的有机水凝胶模型中的模拟电流密度。e）具有纯水凝胶基体的有机水凝胶模式中的模拟电场。f）Ku带中不同MXene浓度的M-有机水凝胶的平均SET和a值。

图5. a） 在25°C下测量的M有机水凝胶-2:2在Ku带不同拉伸应变下的SE曲线。b） 在70°C下测量的M有机水凝胶-2:2在Ku带不同拉伸应变下的SE曲线。c） 在25和70°c下，M-有机水凝胶-2:2的平均SET值随拉伸应变的变化。d、 e）分别模拟50%应变（70°C）下M-有机水凝胶中的电流密度和电场分布。f） 在25和70°C的150%应变下，M-有机水凝胶-2:2在循环拉伸释放过程中的SET值变化。g） 在25和70°C的300%应变下，M-有机水凝胶-2:2在循环拉伸释放过程中的SET值变化。

图6. a） 照片显示了M-有机水凝胶-2:2通过形状记忆效应（应变：0-50%）在室温下保持高温性能的过程。b） 不同状态下M-有机水凝胶-2:2的CLSM图像。c） 收缩前（50%应变下）和收缩后（0%应变下）M-有机水凝胶-2:2的室温设定值。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，M-有机水凝胶-2:2在循环形状记忆过程中的SET值变化。e） 照片显示了M-有机水凝胶-2:2通过形状记忆效应（应变：0-150%）在室温下保持高温性能的过程。f） 不同状态下M-有机水凝胶-2:2的CLSM图像。g） 收缩前（150%应变下）和收缩后（0%应变下）M-有机水凝胶-2:2的室温设定值。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，M-有机水凝胶-2:2在循环形状记忆过程中的SET值变化。i） M-orgnaohydrol-2:2与之前报道的其他以吸收为主的EMI屏蔽水凝胶/有机水凝胶的综合性能比较。注：SE、A和SE/d值在X波段测量。

来源：柔性传感及器件