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陜科大白陽團(tuán)隊 CEJ：自固定形變下可調(diào)節(jié)EMI屏蔽效能的柔性多功能復(fù)合薄膜材料
2024-10-31  來源：高分子科技

  在智能電子設(shè)備日益普及的當(dāng)代社會，電磁干擾 (EMI) 問題愈發(fā)凸顯，對人類健康及電子設(shè)備的正常運(yùn)作構(gòu)成顯著損壞。在此背景下，傳統(tǒng)的固定電磁屏蔽效能 (EMI SE) 材料已難以適應(yīng)多變的應(yīng)用場景，因而，研發(fā)具有動態(tài)調(diào)節(jié)能力的EMI SE材料成為了一項(xiàng)迫切的科研需求。盡管現(xiàn)有研究表明，通過外力使材料形變來調(diào)控材料內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而調(diào)節(jié)其EMI SE是一種可行的策略，但此類方法在實(shí)際應(yīng)用中具有局限性。鑒于此，研發(fā)一種能夠在多種環(huán)境條件下自適應(yīng)調(diào)節(jié)EMI SE的材料依然面臨著重大挑戰(zhàn)。陜西科技大學(xué)白陽副教授團(tuán)隊開發(fā)了一種自固定形變下可調(diào)節(jié)電磁屏蔽效能 (EMI SE) 的柔性薄膜材料TAPU-MXene。該材料通過引入富含兒茶酚基團(tuán)的單寧酸 (TA) 進(jìn)行交聯(lián)，不僅提升了力學(xué)性能和自愈合能力，還展現(xiàn)了出色的粘附性。利用TAPU薄膜的粘附性能，結(jié)合高導(dǎo)電性的MXene納米材料，構(gòu)建了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，制備出的TAPU-MXene復(fù)合薄膜在X波段的EMI SE可達(dá)56.7 dB。該薄膜通過形狀記憶能力，實(shí)現(xiàn)了在不同形變下EMI SE的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從56.7 dB至2.75 dB的寬范圍調(diào)節(jié)能力，同時保持了穩(wěn)定的線性靈敏度，能夠作為傳感器檢測人體運(yùn)動。這表明TAPU-MXene在智能可調(diào)電磁屏蔽和柔性傳感器領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用潛力，相關(guān)成果Flexible multifunctional composite films for adjustable EMI shielding behavior under self-fixed deformation發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》雜志上。


圖1 TAPU-MXene復(fù)合膜及其在不同固定變形條件下的可調(diào)EMI SE的制備路線示意圖


  由于MXene與TAPU表面豐富的的非共價鍵作用，在薄膜表面構(gòu)建了導(dǎo)電性良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)復(fù)合層，使TAPU-MXene具有EMI屏蔽功能。TAPU-MXene薄膜在受拉伸時，MXene納米片會隨基材伸長而滑動，調(diào)整電子遷移路徑，維持導(dǎo)電通道，保障材料在變形期間的EMI SE。該材料結(jié)合了形狀記憶功能，能夠在無外力作用下實(shí)現(xiàn)自固定形變下的可調(diào)EMI SE。實(shí)驗(yàn)中，TAPU-MXene薄膜在不同拉伸水平下展示了可調(diào)的EMI SE。然而，隨著形變的增加，EMI SE顯著下降，這是由于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的破壞和電導(dǎo)率的降低。切割后材料通過鏈段的運(yùn)動和分子間作用力進(jìn)行愈合，自愈合后的TAPU-MXene薄膜的EMI SE有所下降，但仍表現(xiàn)出良好的屏蔽性能。此外，TAPU-MXene薄膜在特斯拉線圈中的測試也證明了其在變形后仍具有有效的電磁干擾屏蔽能力。這種材料因其優(yōu)異的粘附性能，適用于各種電子設(shè)備的外殼，為日常使用提供電磁干擾保護(hù)。


圖2 TAPU-MXene復(fù)合薄膜在不同形變水平下的電磁屏蔽效能調(diào)節(jié)能力


  這種材料能感知人體運(yùn)動引起的微小變形，導(dǎo)致MXene導(dǎo)電層電阻變化，從而實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動的監(jiān)測。在變形過程中，TAPU-MXene薄膜的導(dǎo)電層破壞增加了電阻，而變形恢復(fù)時導(dǎo)電通路的重建則減少了電阻。這一特性使得材料的電導(dǎo)率顯示出良好的可逆性，能夠適應(yīng)外界環(huán)境的變化。通過監(jiān)測電信號的變化，TAPU-MXene薄膜能有效監(jiān)測人體運(yùn)動，量化其應(yīng)變靈敏度(GF)，反映了傳感器在變形過程中電阻的相對變化。實(shí)驗(yàn)中，TAPU-MXene樣品在不同應(yīng)變水平下展示了可調(diào)的GF，從73.49降至33.345，證實(shí)了其在柔性傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。此外，TAPU-MXene傳感器在監(jiān)測人體運(yùn)動如手指、手腕、肘部和頸部關(guān)節(jié)活動時表現(xiàn)出色，即便在自愈后，其傳感性能依然保持一致，證明了材料的自愈能力，使其在實(shí)際應(yīng)用中更加耐用和可靠。該研究成果不僅為智能可調(diào)電磁屏蔽材料的開發(fā)提供了新思路，也為柔性傳感器的設(shè)計和應(yīng)用開辟了新途徑。TAPU-MXene復(fù)合薄膜的這些特性，預(yù)示著其在柔性電子、可穿戴技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。隨著進(jìn)一步的研究和優(yōu)化，這種新型材料有望在多個行業(yè)中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用，為未來的智能設(shè)備和健康監(jiān)測技術(shù)提供支持。


圖3 TAPU-MXene復(fù)合薄膜在不同應(yīng)變水平下監(jiān)測人體運(yùn)動時的電阻變化


  陜西科技大學(xué)為本論文的唯一發(fā)表單位，白陽副教授是論文的唯一通訊作者，主要工作由課題組碩士生巨佳怡、潘玉潔等人完成。


  原文鏈接https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894724083876


  下載：Flexible multifunctional composite films for adjustable EMI shielding behavior under self-fixed deformation

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