《AFM》北京航空航天大学刘晓芳: 一种具有多功能的热管理相变有机水凝胶！

01

背景介绍

随着电子设备和无线通信技术的快速发展，电磁干扰（EMI）问题日益严重，传统的反射型EMI屏蔽材料难以满足现代需求。因此，开发新型高效吸收型EMI屏蔽材料迫在眉睫。该材料应具备高效吸收电磁波、轻质柔韧以及智能响应性等特点。导电水凝胶及其衍生的有机水凝胶因其柔韧性和可拉伸性成为理想候选材料，但现有研究主要通过提高电导率来增强屏蔽效率，易导致电磁波反射和二次污染。

相变材料（PCM）的引入为解决上述问题提供了新思路。相变材料能够在特定温度下发生相变，动态调节材料的电磁特性，并吸收电磁波能量。将相变材料与导电水凝胶结合，构建相变微电容网络，可以实现高效的吸收主导型EMI屏蔽，并赋予材料智能响应能力。这种方法不仅能提高吸收效率，还能根据温度变化调节屏蔽性能。然而，如何在保持高EMI屏蔽性能的同时，平衡材料的可拉伸性和机械强度，仍需进一步研究。通过引入相变材料并结合智能响应机制，有望开发出高性能、多功能调节的EMI屏蔽材料。

02

成果掠影

近日，北京航空航天大学刘晓芳团队联合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 (MXE) 核壳微球均匀地整合到水凝胶基质中，构建了独特的微电容器网络结构。在此结构中，微球壳层和水凝胶分别作为电容器板和介电层，通过界面极化和偶极极化机制，有效促进了电磁波的衰减，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，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。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。研究成果以“Phase-Transition Microcapacitor Network in Organohydrogel for Absorption-Dominated Electromagnetic Interference Shielding and Multi-Mode Intelligent Responsiveness”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊。

03

图文导读

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。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。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。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。

来源 | Advanced Functional Materials，洞见热管理

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