陕西科技大学AM：多孔碳纳米复合水凝胶，集抗冻、可拉伸、自愈合、电磁屏蔽与应变传感于一体

随着千兆赫通信技术的飞速发展，电磁干扰与辐射污染问题日益严重。传统电磁屏蔽材料难以兼顾高性能与多功能特性，尤其是在柔性可穿戴设备中面临低温冻结和机械脆性等挑战。尽管有机水凝胶可提升抗冻性能，但其导电性往往不足，导致屏蔽效率下降。现有材料在恶劣环境下容易因机械损伤而失效，亟需开发兼具高屏蔽效能、环境适应性和自愈合功能的新型材料。

近日，陕西科技大学黄文欢教授、MaJiacheng和天津大学吴凡教授合作成功研制出一种多功能Fe@C/TPS纳米复合水凝胶，该材料通过引入富氮氮唑框架衍生的多孔碳，显著提升了离子导电性与机械强度。该水凝胶在X波段实现了高达56.97 dB的电磁屏蔽效能，并具备快速应变响应能力（响应时间200 ms，应变因子GF = 4.7）。即使在-20°C低温和60%拉伸应变等极端条件下，其屏蔽与传感性能仍保持稳定。此外，材料内部动态氢键网络赋予其优异的自愈合能力，在机械损伤后屏蔽效能恢复率超过92%。相关论文以“Nitrogen-Rich Azolate Framework-Derived Porous Carbon Nanocomposite Hydrogels Shielding Material with Tunable Dynamic Bonding-Induced Self-Healing Properties”为题，发表在

Advanced Materials

研究人员首先通过溶剂热法合成富氮金属有机框架作为前驱体，经梯度金属掺杂与高温热解，制备出嵌入金属纳米颗粒的多孔碳材料Fe@C。该材料具有连续分布的层级多孔结构，不仅优化了阻抗匹配，还为电磁波提供了多重反射与散射路径。在复合水凝胶的制备过程中，FeCl₃与单宁酸的酚羟基形成可逆金属配位键，同时与聚乙烯醇和淀粉分子构建氢键网络，形成动态交联体系。这种结构使材料在受损后能快速重建氢键与配位键，实现高效自愈合。此外，水-乙二醇二元溶剂系统的引入有效降低了体系的冰点，赋予材料优异的抗冻性能。

图1展示了Fe@C/TPS纳米复合水凝胶的制备流程与多功能机制。a部分描绘了金属有机前驱体的合成与热解过程，生成具有多孔结构的Fe@C纳米颗粒；b部分展示了水凝胶的组装过程，包括单宁酸、PVA、淀粉与Fe@C的复合；c部分揭示了动态氢键介导的自愈合过程；d部分演示了材料在零下环境中的低温性能；e与f部分分别呈现了电磁屏蔽应用场景与应变传感性能。

图 1 ： Fe@C/TPS 纳米复合水凝胶的制备流程与多功能机制示意图 a) 金属有机前驱体的合成与受控热解制备 Fe@C 纳米颗粒； b) Fe@C/TPS 水凝胶的制备过程； c) 动态氢键介导的自愈合过程； d) 材料在零下环境中的抗冻性能展示； e) 电磁屏蔽应用场景； f) 应变传感性能应用。

图2对金属-碳粉末的微观结构与化学成分进行了系统表征。扫描电镜图像与元素分布图显示，Fe@C填料具有层级多孔结构，随着金属掺杂量从5%增至13%，比表面积逐步上升。X射线衍射图谱确认了石墨碳的成功生成，X射线光电子能谱进一步揭示了碳、氮、铁元素的化学状态与电子结构变化。拉曼光谱中D峰与G峰强度比随铁含量增加而下降，表明金属掺杂促进了碳网络的石墨化，优化了电子传输路径。

图 2 ：金属 - 碳粉末的微观结构与成分表征 a-c) Fe@C-5 、 Fe@C-9 、 Fe@C-13 样品的扫描电镜图像及对应元素分布图； d) 三种样品的 BET 比表面积比较； e) X 射线衍射图谱； f) 三种样品的拉曼光谱； g) C 1s 高分辨率 XPS 谱图； h) N 1s 高分辨率 XPS 谱图； i) Fe 2p 高分辨率 XPS 谱图。

图3重点展示了复合水凝胶的力学与自愈合性能。材料表现出优异的可塑性与韧性，能承受近百倍于自身重量的负载。应力-应变曲线显示其断裂应变最高达240%，断裂应力达121.4 kPa。在不同应变下，材料的电磁屏蔽效能保持稳定，60%应变下仍保留约80%的原始性能。自愈合实验与分子动力学模拟证实，材料在60°C湿热条件下10分钟内即可恢复99%的拉伸性能与74%的电导率，屏蔽效能恢复率达92.75%。

图 3 ：复合水凝胶的力学与自愈合性能 a) 材料的可塑性与韧性展示； b) 不同前驱体含量下的应力 - 应变曲线； c) 最优组分在连续拉伸 - 卸载过程中的滞后曲线； d) 最优组分在不同应变下的电磁屏蔽性能； e) 断裂行为：（ i ）宏观图像，（ ii ）断裂机理示意图，（ iii ）分子动力学模拟； f) 自愈合行为：（ i ）愈合后照片，（ ii ）愈合机理示意图，（ iii ）分子动力学模拟； g) 愈合前后结构演变（二维模型）； h) 作为可修复连接器时的电导率恢复； i) 愈合前后机械性能与电导率对比； j) 愈合前后电磁屏蔽效能对比； k) 与文献报道的自愈合水凝胶在机械恢复效率与电磁屏蔽效能方面的性能对比。

图4系统评估了材料的电磁屏蔽性能。随着金属掺杂浓度与填料含量的增加，总屏蔽效能显著提升，5 mm厚度下达到56.97 dB，为商用标准的2.85倍。反射与吸收分析表明，材料以吸收为主导屏蔽机制，其连续多孔结构有效增强了电磁能量的耗散。实际测试中，材料不仅能屏蔽特斯拉线圈产生的电磁干扰，还能在拉伸状态下实现“应变响应电磁效应”，展现出智能调控潜力。

图 4 ：复合材料的电磁屏蔽性能与应用展示 a) 金属掺杂浓度对屏蔽效能与吸收效率的影响； b) 填料含量对屏蔽效能与吸收效率的影响； c) Fe@C-13 – 15% 水凝胶厚度对电磁屏蔽性能的影响； d) 填料含量与电导率的关系； e) 电磁波吸收与反射特性； f) 与已报道材料的 SEA/SET 比值对比； g) 水凝胶在实际应用中的信号屏蔽性能演示。

图5进一步展示了材料在运动监测与压力传感方面的应用潜力。水凝胶贴附于手指、肘部和腕部关节时，能准确捕捉不同幅度与频率的运动信号，并输出稳定的电流响应。在压力传感测试中，材料表现出快速的响应与恢复特性（200 ms），并在书写测试中清晰区分不同字母的压力模式，显示出高精度识别能力。

图 5 ： Fe@C/TPS-13 – 10% 复合材料的传感性能 a) 不同应变下的相对电阻变化； b) 相对电阻随拉伸应变的变化关系； c) 肘部运动监测的传感信号； d) 手指弯曲监测时的电流信号； e) 人体模型； f) 腕部弯曲时的电流响应； g) 压缩下的电流变化； h) 按压 - 释放循环中的响应 / 恢复时间； i) 书写不同字母时的实时电流特征； j) 在拉伸与扭曲变形下的电稳定性。

综上所述，本研究成功开发出一种集抗冻、可拉伸、自愈合、电磁屏蔽与应变传感于一体的多功能水凝胶。该材料在极端低温环境下仍保持优异的机械完整性、屏蔽效能与传感性能，突破了传统材料在导电性、韧性与抗冻性之间的权衡限制，为下一代柔性电子设备在恶劣环境下的应用提供了可靠的材料基础与技术路径。