摘要：随着电磁污染日益严重，对低反射电磁干扰屏蔽（EMI）材料的需求变得愈发迫切。基于层状设计，以水性聚氨酯（WPU）为基体，以溶剂热还原法制备的异质结构 MXene@CoFe
研究背景
柔性电子和 5G 技术的迅速发展极大地增加了对高频电子器件的需求。然而，随之而来的电磁污染问题也日益严峻。因此，开发兼具高电磁屏蔽效能（EMI SE）和优异机械性能的柔性电磁屏蔽材料已成为当前研究的重点。
导电聚合物复合材料（CPCs）由于具有重量轻和易于加工等优点，在电磁干扰（EMI）屏蔽应用中逐渐取代了传统的金属材料。然而，CPCs 的高电导率常常导致与自由空间的阻抗失配，从而产生高反射系数（R > 0.9），造成二次电磁污染。因此，开发一种低反射、高性能且多功能的集成柔性 EMI 屏蔽材料仍然是一个紧迫的挑战。
研究表明，导电填料和磁性填料的有效整合能够协同增强电磁波（EMW）的衰减能力。磁性成分的加入能够引发显著的自然共振和涡流损耗，从而改善阻抗匹配并减少二次电磁污染。然而，通过简单混合导电和磁性填料制备的 EMI 屏蔽材料会遇到填料团聚以及平衡 EMI 屏蔽性能和机械性能的难题。与简单混合导电和磁性填料相比，异质结构电磁填料能够显著减轻填料团聚，并有效增强电磁波衰减能力。朱等人通过溶液浇铸法制备了银层/还原氧化石墨烯负载铁钴合金（rGO@FeCo）/水性聚氨酯（WPU）复合材料。由于电磁协同效应，Ag 层/rGO@FeCo/WPU 复合材料表现出高效的电磁波吸收性能。当质量分数为当 rGO@FeCo 的质量分数为10%时，Ag 层/rGO@FeCo/WPU 复合材料实现了 51 分贝的电磁干扰屏蔽效能，平均反射率为 0.49。Xing 等人通过水热法合成了 Fe 3 4 @碳纳米管（CNT）电磁填料，随后通过层层组装获得了具有多层电磁梯度结构的 MXene/Fe3O4@CNT/氧化纳米纤维素（MCT）纳米复合纸。当 MXene/Fe 3 4 @CNT 的质量分数为 95% 时，MCT 纳米复合纸实现了 66 分贝的电磁干扰屏蔽效能，平均反射率为 0.60。在我们之前的工作中，顾等人成功地采用模板辅助法制造了高度取向的 Fe 3 4 3 4 成功地接枝到 CNT 表面，形成了相互连接的多孔框架。当 rGF 和 Fe 3 4 3 4 -CNT/rGF/环氧树脂纳米复合材料在 X 波段表现出 36 分贝的电磁干扰屏蔽效能（EMI SE）和平均反射率（R）为 0.55。磁性填料的引入有助于调整屏蔽材料的阻抗匹配，并在一定程度上降低其反射率。然而，电磁干扰性能仍主要受高电导率引起的电损耗影响，这使得同时实现高电磁屏蔽性能和低反射变得具有挑战性。因此，研究人员通常采用隔离结构、多孔结构和层状结构等设计来应对这一挑战。例如，Wu 等人通过反应诱导相分离（RIPS）后热压制备了具有分离结构的聚酰胺磁性微球（Ni@PA6M）/多壁碳纳米管（MWCNT）/聚苯乙烯（PS）复合材料。当 MWCNT 的质量分数为 7%且 Ni@PA6M 与 PS 的质量比为 7:3 时，Ni@PA6M/MWCNT/PS 复合材料实现了 29 dB 的电磁屏蔽效能，平均反射率为 0.77。Gong 等人制备了三种具有不同孔隙结构（纳米孔、微孔、通过超临界二氧化碳发泡技术制备了具有微孔、规则孔和纳米孔（M-Re-N）的多层碳纳米管/ABS泡沫，并通过堆叠单层制备了不同组装顺序的多层 CNT/ABS 泡沫。对于具有微孔-规则孔-纳米孔（M-Re-N）顺序的三层多孔结构泡沫，M-RE-N CNT/ABS 泡沫实现了 19 分贝的 EMI 屏蔽效能，平均反射率为 0.20。尽管上述隔离和多孔结构显著降低了反射率，但分层结构中基体与填料之间结合强度不足，使其在实际应用中容易分层，导致 EMI 屏蔽性能下降。多孔结构应通过增加其孔隙率来增强对电磁波的吸收，但同时必须防止因孔隙率过高而导致 EMI 屏蔽性能下降。这在平衡低反射率和高 EMI 屏蔽效能方面提出了挑战。
与分离式和多孔结构相比，层状结构通过调节每一层的电磁参数，在实现阻抗匹配方面具有明显优势。这使得电磁波能够经历“吸收-反射-再吸收”的过程，同时降低反射率（R）并提高电磁干扰屏蔽效能（EMI SE）。例如，王等人通过逐层真空过滤制备了具有可控电导率和磁导率双梯度结构的 MXene/FeCo/纤维素纳米纤维（CNF）复合薄膜。当 CNF 的质量分数为 55 wt.% 时，MXene/FeCo-G/CNF 复合薄膜实现了 58 dB 的 EMI SE，平均反射率为0.61. 刘等人通过 3D 打印制备了具有分级多孔结构和梯度电导率的 MXene/碳纳米管/聚酰亚胺（GCMCP）气凝胶框架。 在三层中碳纳米管的质量分数分别为 0、20 和 50%，这种 GCMCP 气凝胶框架实现了 68 分贝的电磁干扰屏蔽效能，平均反射率为 0.23。然而，这些传统梯度结构的低反射特性通常仅限于电磁波的单向入射，这极大地限制了它们的应用。夹层结构能够在任何入射方向上表现出低反射特性，这将极大地促进其实际应用。
水性聚氨酯（WPU）具有出色的柔韧性、耐磨性和耐化学腐蚀性，使其非常适合用于柔性电子应用。[24] 在这项工作中，通过溶剂热还原法在 MXene 表面原位生长磁性四氧化三钴（CoFe 2 4 2 4 。基于层状设计，依次将 MXene@CoFe 2 4 /WPU 和 MXene/WPU 悬浮液逐层冷冻。随后，通过冷冻干燥法成功制备了具有三明治结构的（MXene@CoFe 2 4 2 4 /WPU）复合气凝胶（SWCA）。采用 X 射线衍射（XRD）、X 射线光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）对 MXene@CoFe 2 4 2 4 /WPU 气凝胶和 SWCA 的结构和形貌进行了表征。此外，还研究了 MXene 与 CoFe 2 4 2 4 2 4 含量对 SWCA 电磁屏蔽性能的影响。此外，还进一步探究了 SWCA 的机械性能和红外隐身性能。图文解析
图1 a) MXene@CoFe2O4 和 b) SWCA 的制备示意图。c、d) MXene 的扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像。e) MXene@CoFe2O4 的扫描电子显微镜图像。f) 生长在绿苔上的 SWCA 的数码照片。
结论
在这项工作中，XRD 和 SEM 测试证明，通过溶剂热还原法成功合成了异质结构 MXene@CoFe2O4。RCS 模拟结果表明，当 MXene 与 CoFe2O4 的质量比为 1：6 时，MXene@CoFe2O4 在 X 波段表现出最佳的吸收损耗能力。基于层状设计，通过层冻结和冷冻干燥技术制备了 SWCA。由于 MXene@CoFe2O4/WPU 气凝胶的吸收层与 MXene/WPU 气凝胶的反射层之间的协同效应，SWCA 促进了入射电磁波的“吸收-反射-再吸收”过程。由 80 wt.% MXene/WPU 气凝胶和 40 wt.% MXene@CoFe2O4-3/WPU 气凝胶组装而成的 SWCA 具有低反射特性（R = 0.14）和卓越的 EMI 屏蔽效能（77 dB）。此外，SWCA 在任何入射表面上均表现出一致的低反射 EMI 屏蔽性能。SWCA 还展现出显著的抗压强度（在 50%压缩应变下最大抗压应力为 264.0 kPa）和出色的抗压回弹性能（经过 100 次压缩循环后回弹率为 88%）。此外，由于其低红外辐射率，SWCA 还具有良好的隔热性能。SWCA 的发射率和隔热性能（λ 在 0.0843 至 0.0941 瓦/（米·开尔文）之间），SWCA 还表现出出色的红外伪装性能。总之，所获得的低反射、高性能多功能柔性 EMI 屏蔽气凝胶在下一代电子设备中具有广阔的应用潜力。
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来源：寂寞的咖啡