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具有富水孔隙的高交联水凝胶在模仿自然界中具有层级结构的生物材料的多功能建筑的突出潜力。在这里，一种过渡金属碳化物(Ti3C2 MXene)/聚乙烯醇(PVA)仿生水凝胶是通过冰模板冷冻然后盐析的方法制造的。除了高导电性和机械强度以及超柔性外，还成功地实现了蜂窝状排列多孔结构。由于MXene、PVA、水和仿生多孔结构之间的协同作用，该薄水凝胶在仅0.86 vol % MXene含量的情况下具有57 dB的x波段电磁干扰屏蔽效果(SE)。在8.2 ~ 40 GHz的超宽带频率范围内，实现了典型GHz频率范围内的EMI SE超过50 dB。更重要的是，通过原位控制水凝胶的含水量，确定了水对电磁干扰屏蔽性能的定量影响。此外，该超柔性可穿戴水凝胶具有良好的应变传感性能，有助于对人体运动进行灵敏可靠的检测和智能编码。因此，这项工作为制备健壮、灵活、多功能的基于mxene的仿生水凝胶提供了一种途径，可用于高性能EMI屏蔽和可穿戴应变传感器。
图1 (a) MXene/PVA水凝胶的制备过程示意图。(b) MXene薄片和MXene分散液的廷德尔效应的AFM图像。(c) MXene的TEM图像。(d) MXene/PVA水凝胶的SEM图像和(e)对应的O、F、C和Ti元素映射图。超柔性的MXene水凝胶具有(f)形状适应性，(g)弯曲，扭转和拉伸，以及MXene/PVA水凝胶条(约1 g)承受200 g载荷的照片，(h)拉伸应力-应变曲线，以及(i)样品的模量和拉伸强度。
图2. (a)不同孔隙形态的0.86 vol % MXene/PVA水凝胶的x波段EMI SE。(b) x波段EMI SE和(c) SER、SEA和SET。(d)不同MXene含量水凝胶的功率系数。(e) EMI SE和(f)不同固体含量(MXene和PVA的体积分数)0.86 vol % MXene/PVA水凝胶的SER、SEA和SET。(g)样品厚度对0.86 vol % MXene/PVA水凝胶EMI SE的影响。(h) MXene/PVA (0.86 vol %)水凝胶在1000次弯曲处理前后的x波段EMI SE。(i) X、Ku、K和Ka频带等典型GHz频率范围内的EMI SE。
图3 (a)显示水凝胶和气凝胶之间可逆转换的示意图。(b)不同含水量MXene/PVA水凝胶在10 GHz下的EMI SE和(c) SEA、SER和SET值。(d) MXene/PVA水凝胶的电磁干扰屏蔽性能与其他屏蔽复合材料的性能比较。(e)提出了具有排列孔通道的水凝胶的电磁干扰屏蔽机制。
图4. (a)不同MXene含量的MXene基水凝胶在50%拉伸应变下的相对阻力变化曲线。(b) 0.86 vol % MXene水凝胶的应变GF。传感器在(c)不同拉伸应变和(d) 50%不同频率应变下的相对电阻变化。 (e)不同角度的弯曲诱导拉伸，(f)不同速度的手指弯曲，(g)快速点击，信号对(h)“PVA”和(i)“MXene”的解码产生响应。 相关科研成果由山东大学理学院Jiurong Liu等人于2022年发表在ACS Materials Letters (https:///10.1021/acsmaterialslett.2c00778)上。原文：Biomimetic Porous MXene-Based Hydrogel forHigh-Performance and Multifunctional Electromagnetic Interference Shielding。 |
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