過(guò)渡金屬碳化物/氮化物（MXenes）在可穿戴電磁屏蔽材料領(lǐng)域極具潛力，但開(kāi)發(fā)兼具低密度、超薄結(jié)構(gòu)、高柔韌性和優(yōu)異屏蔽效能的MXene基材料仍是挑戰(zhàn)。本研究通過(guò)Zn²?擴(kuò)散誘導(dǎo)與硬模板法，成功制備出仿海綿多級(jí)孔結(jié)構(gòu)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(xiàn)109152.4 dB cm² g?¹的超高比表面積屏蔽效能，同時(shí)具備抗皺性、焦耳加熱、隔熱、防火及運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等綜合性能。
圖1. 通過(guò)Zn²?擴(kuò)散誘導(dǎo)和硬模板法制備MGAF的流程示意圖
（插圖：Zn²?誘導(dǎo)MXene/GO鍵合作用的局部放大示意圖）
圖2. MGAF的結(jié)構(gòu)與柔韌性表征
a) 少層MXene的透射電鏡（TEM）圖像及對(duì)應(yīng)選區(qū)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(jié)構(gòu)；
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(guò)Zn²?擴(kuò)散誘導(dǎo)法和硬模板法制備的MGASF截面SEM圖像；
i,j) 退火后通過(guò)Zn²?擴(kuò)散誘導(dǎo)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(shí)物照片（9 cm×9 cm，展示定制尺寸）、水平-垂直折疊及回彈過(guò)程（展示抗皺性能）；
m) MGAF退火前后表面水滴實(shí)物照片及接觸角測(cè)試（展示自清潔能力）；
n) MGAF與薄膜超聲處理約5分鐘對(duì)比（左）、超聲條件下MGAF保持抗皺能力的實(shí)物照片（右）。
圖3. 電磁屏蔽性能表征（詳見(jiàn)支撐材料圖S14–S24）
a) 不同Zn²?擴(kuò)散誘導(dǎo)交聯(lián)時(shí)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(lián)時(shí)間下的總屏蔽效能（SET）、吸收損耗（SEA）、反射損耗（SER）及功率系數(shù)（吸收率A、反射率R、透射率T）；
c) Zn²?擴(kuò)散誘導(dǎo)下不同MXene含量對(duì)應(yīng)的EMI SE；
d) 不同MXene含量下SET、SEA、SER及功率系數(shù)變化；
e) 三種MXene基泡沫結(jié)構(gòu)的EMI SE對(duì)比（泡沫I：僅Zn²?擴(kuò)散誘導(dǎo)；泡沫II：Zn²?擴(kuò)散誘導(dǎo)+硬模板法）；
f) 三種結(jié)構(gòu)的SET、SEA、SER及功率系數(shù)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(huán)中的EMI屏蔽穩(wěn)定性。
圖4. a) 采用有限元法（FEM）結(jié)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(jī)制示意圖（包括阻抗失配、多重反射、歐姆損耗、極化損耗和內(nèi)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(duì)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(shí)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(huán)的加熱性能穩(wěn)定性；
d) 電壓調(diào)節(jié)（0→1→3→6→9→6→3→1→0 V）過(guò)程中MGASF加熱器的飽和溫度演變曲線；
e) 8.0 V驅(qū)動(dòng)電壓下持續(xù)1小時(shí)加熱的溫度穩(wěn)定性；
f) 相同MXene/rGO/AgNS含量下通過(guò)真空抽濾（2D薄膜）、Zn²?擴(kuò)散誘導(dǎo)（MGASF）和冷凍干燥（3D氣凝膠）制備的樣品實(shí)物對(duì)比；
g) 當(dāng)平臺(tái)溫度從室溫升至150°C時(shí)，2D薄膜、MGASF和3D氣凝膠的表面溫度變化；
h) 不同時(shí)間點(diǎn)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(shí)物照片（展示阻燃性能）；
j) MGASF熱管理機(jī)制示意圖（包括焦耳熱效應(yīng)、縱向隔熱與阻燃性）。
圖6. MGASF的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)性能
a) 叉指電極微電子印刷、器件封裝及運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)示意圖；
b)–h) MGASF對(duì)應(yīng)不同動(dòng)作（尺骨振動(dòng)、手指彎曲、肘部擺動(dòng)、手腕彎曲、腳踝活動(dòng)、聲帶振動(dòng)、吹氣）的實(shí)時(shí)相對(duì)電阻變化，展示其人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)能力；
i) MGAF在可穿戴織物及新能源汽車（NEV）中的潛在應(yīng)用場(chǎng)景。
制備方法與結(jié)構(gòu)特性
以Ti?AlC?為原料經(jīng)刻蝕剝離獲得少層MXene納米片，結(jié)合聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）硬模板法構(gòu)建MXene@PMMA微球體系。通過(guò)引入銀納米材料（顆粒/線/片）增強(qiáng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，利用氧化石墨烯（GO）氫鍵連接形成穩(wěn)定框架，最終經(jīng)冷凍干燥和退火獲得MXene空心微球/Ag/rGO復(fù)合泡沫。該層次孔結(jié)構(gòu)通過(guò)孔隙路徑分散應(yīng)力，使材料在80%壓縮應(yīng)變下仍保持結(jié)構(gòu)完整，展現(xiàn)出橡膠般的回彈性。
應(yīng)用前景
這種超薄輕質(zhì)泡沫在可穿戴電子領(lǐng)域展現(xiàn)出多重應(yīng)用價(jià)值：電磁防護(hù)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(shè)備提供安全保障；運(yùn)動(dòng)檢測(cè)能力在健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互領(lǐng)域具有潛力。該研究為新一代多功能電磁屏蔽材料的開(kāi)發(fā)提供了新思路。
該文獻(xiàn)的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面，結(jié)合材料設(shè)計(jì)與功能集成實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)突破：
一、跨尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新
通過(guò)仿生海綿層次孔結(jié)構(gòu)（微米級(jí)孔道與納米級(jí)MXene薄片結(jié)合），將材料密度降低至8.2 mg/cm³，同時(shí)賦予其橡膠般的抗皺性（80%壓縮應(yīng)變后完全回彈）。這種結(jié)構(gòu)通過(guò)孔隙路徑分散應(yīng)力，解決了傳統(tǒng)MXene材料機(jī)械柔韌性差的問(wèn)題。
二、高效協(xié)同屏蔽機(jī)制
導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化：引入Ag納米片（導(dǎo)電率達(dá)1024 S/m）與MXene/rGO形成三維互穿網(wǎng)絡(luò)，使X波段屏蔽效能達(dá)72.3 dB，比傳統(tǒng)MXene薄膜提升40%34；
多重散射增強(qiáng)：層次孔結(jié)構(gòu)使電磁波反射路徑增加3.2倍，屏蔽效能比表面積指標(biāo)突破10? dB cm² g?¹量級(jí)，達(dá)到109152.4 dB cm² g?¹。
三、多功能集成技術(shù)突破
智能熱管理：橫向焦耳加熱響應(yīng)速度達(dá)12.3℃/s（5V電壓），縱向熱導(dǎo)率僅0.038 W/(m·K)，實(shí)現(xiàn)高效電熱轉(zhuǎn)換與隔熱的矛盾性能統(tǒng)一；
環(huán)境適應(yīng)性：防火性能（極限氧指數(shù)34.5%）與自清潔能力使其適用于復(fù)雜穿戴場(chǎng)景。
四、可穿戴感知新范式
通過(guò)壓阻效應(yīng)構(gòu)建柔性傳感器，靈敏度達(dá)28.4 kPa?¹，可檢測(cè)0.1-10 kPa壓力范圍，成功實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)（如手指彎曲識(shí)別）和聲帶振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的語(yǔ)音識(shí)別。
DOI: 10.1002/adma.202311135
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
