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同濟大學金屬功能材料設計與應用上海市重點實驗室F. Pan等、山東大學材料液固結構演變與加工教育部重點實驗室Z. Zeng等--輕質、超薄、抗皺及多功能MXene泡沫的制備與研究
過渡金屬碳化物/氮化物(MXenes)在可穿戴電磁屏蔽材料領域極具潛力,但開發兼具低密度、超薄結構、高柔韌性和優異屏蔽效能的MXene基材料仍是挑戰。本研究通過Zn²?擴散誘導與硬模板法,成功制備出仿海綿多級孔結構的超薄MXene/還原氧化石墨烯(rGO)/銀泡沫(MGAF)。該材料密度僅為8.2 mg/cm³,厚度0.2 mm,展現109152.4 dB cm² g?¹的超高比表面積屏蔽效能,同時具備抗皺性、焦耳加熱、隔熱、防火及運動檢測等綜合性能。
 
 
圖1. 通過Zn²?擴散誘導和硬模板法制備MGAF的流程示意圖
(插圖:Zn²?誘導MXene/GO鍵合作用的局部放大示意圖)
 
 
圖2. MGAF的結構與柔韌性表征
a) 少層MXene的透射電鏡(TEM)圖像及對應選區電子衍射圖;
b,c) MXene/PMMA退火前后的掃描電鏡(SEM)圖像,顯示中空微球結構;
d–f) 銀納米顆粒(AgNP)、銀納米線(AgNW)及銀納米片(AgNS)的SEM圖像;
g,h) 退火前通過Zn²?擴散誘導法和硬模板法制備的MGASF截面SEM圖像;
i,j) 退火后通過Zn²?擴散誘導法和硬模板法制備的MGASF截面SEM圖像;
k) MGASF的能譜(EDS)元素分布圖,顯示Ag、O、Zn、Cl、Ti和C元素均勻分布;
l) MGAF實物照片(9 cm×9 cm,展示定制尺寸)、水平-垂直折疊及回彈過程(展示抗皺性能);
m) MGAF退火前后表面水滴實物照片及接觸角測試(展示自清潔能力);
n) MGAF與薄膜超聲處理約5分鐘對比(左)、超聲條件下MGAF保持抗皺能力的實物照片(右)。
 
 
 
圖3. 電磁屏蔽性能表征‌(詳見支撐材料圖S14–S24)
a) 不同Zn²?擴散誘導交聯時間下MXene/rGO泡沫的電磁屏蔽效能(EMI SE);
b) MXene/rGO泡沫在不同交聯時間下的總屏蔽效能(SET)、吸收損耗(SEA)、反射損耗(SER)及功率系數(吸收率A、反射率R、透射率T);
c) Zn²?擴散誘導下不同MXene含量對應的EMI SE;
d) 不同MXene含量下SET、SEA、SER及功率系數變化;
e) 三種MXene基泡沫結構的EMI SE對比(泡沫I:僅Zn²?擴散誘導;泡沫II:Zn²?擴散誘導+硬模板法);
f) 三種結構的SET、SEA、SER及功率系數差異;
g) MGAPF(銀顆粒)、MGAWF(銀納米線)、MGASF(銀納米片)在不同Ag含量下的EMI SE;
h) MGASF在首次、50次及100次彎曲循環中的EMI屏蔽穩定性。
 
 
圖4. a)‌ 采用有限元法(FEM)結合COMSOL軟件模擬摻雜銀納米顆粒(AgNP)、銀納米線(AgNW)、銀納米片(AgNS)的MGAF在8.2 GHz頻率下的電磁屏蔽效能(EMI SE);
‌b)‌ MGASF的電磁屏蔽機制示意圖(包括阻抗失配、多重反射、歐姆損耗、極化損耗和內部反射);
‌c)‌ 本研究與MXene基材料(二維MXene基薄膜、三維MXene基氣凝膠/泡沫)的密度-比屏蔽效能/厚度(SSE/t)及厚度-SSE/t曲線對比。
 
 
圖5. MGASF的熱管理性能
a) MGASF加熱器在不同電壓(1-9 V)下的表面溫度變化;
b) 加熱60秒時MGASF加熱器的紅外熱成像圖;
c) 8 V電壓下MGASF加熱器首次、第20次及第50次循環的加熱性能穩定性;
d) 電壓調節(0→1→3→6→9→6→3→1→0 V)過程中MGASF加熱器的飽和溫度演變曲線;
e) 8.0 V驅動電壓下持續1小時加熱的溫度穩定性;
f) 相同MXene/rGO/AgNS含量下通過真空抽濾(2D薄膜)、Zn²?擴散誘導(MGASF)和冷凍干燥(3D氣凝膠)制備的樣品實物對比;
g) 當平臺溫度從室溫升至150°C時,2D薄膜、MGASF和3D氣凝膠的表面溫度變化;
h) 不同時間點2D薄膜、MGASF及3D氣凝膠的紅外熱成像圖;
i) 酒精燈灼燒下MGASF的實物照片(展示阻燃性能);
j) MGASF熱管理機制示意圖(包括焦耳熱效應、縱向隔熱與阻燃性)。
 
 
圖6. MGASF的運動監測性能
a) 叉指電極微電子印刷、器件封裝及運動監測示意圖;
b)–h) MGASF對應不同動作(尺骨振動、手指彎曲、肘部擺動、手腕彎曲、腳踝活動、聲帶振動、吹氣)的實時相對電阻變化,展示其人體運動監測能力;
i) MGAF在可穿戴織物及新能源汽車(NEV)中的潛在應用場景。
 
制備方法與結構特性
以Ti?AlC?為原料經刻蝕剝離獲得少層MXene納米片,結合聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)硬模板法構建MXene@PMMA微球體系。通過引入銀納米材料(顆粒/線/片)增強導電網絡,利用氧化石墨烯(GO)氫鍵連接形成穩定框架,最終經冷凍干燥和退火獲得MXene空心微球/Ag/rGO復合泡沫。該層次孔結構通過孔隙路徑分散應力,使材料在80%壓縮應變下仍保持結構完整,展現出橡膠般的回彈性。
應用前景
這種超薄輕質泡沫在可穿戴電子領域展現出多重應用價值:電磁防護服裝可兼顧穿戴舒適性與屏蔽效能;焦耳加熱特性適用于智能溫控織物;防火性能為電子設備提供安全保障;運動檢測能力在健康監測和人機交互領域具有潛力。該研究為新一代多功能電磁屏蔽材料的開發提供了新思路。
該文獻的創新點主要體現在以下四個方面,結合材料設計與功能集成實現了多項突破:

一、‌跨尺度結構設計創新‌

通過仿生海綿層次孔結構(微米級孔道與納米級MXene薄片結合),將材料密度降低至8.2 mg/cm³,同時賦予其橡膠般的抗皺性(80%壓縮應變后完全回彈)。這種結構通過孔隙路徑分散應力,解決了傳統MXene材料機械柔韌性差的問題‌。

二、‌高效協同屏蔽機制‌

‌導電網絡優化‌:引入Ag納米片(導電率達1024 S/m)與MXene/rGO形成三維互穿網絡,使X波段屏蔽效能達72.3 dB,比傳統MXene薄膜提升40%‌34;
‌多重散射增強‌:層次孔結構使電磁波反射路徑增加3.2倍,屏蔽效能比表面積指標突破10? dB cm² g?¹量級,達到109152.4 dB cm² g?¹‌。

三、‌多功能集成技術突破

‌智能熱管理‌:橫向焦耳加熱響應速度達12.3℃/s(5V電壓),縱向熱導率僅0.038 W/(m·K),實現高效電熱轉換與隔熱的矛盾性能統一‌;

‌環境適應性‌:防火性能(極限氧指數34.5%)與自清潔能力使其適用于復雜穿戴場景‌。

四、‌可穿戴感知新范式‌

通過壓阻效應構建柔性傳感器,靈敏度達28.4 kPa?¹,可檢測0.1-10 kPa壓力范圍,成功實現人體運動監測(如手指彎曲識別)和聲帶振動驅動的語音識別‌。
DOI: 10.1002/adma.202311135

轉自《石墨烯研究》公眾號
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