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  隨著5G技術(shù)普及和智能可穿戴設(shè)備的快速迭代，電磁輻射污染問題日益凸顯。這不僅影響精密電子儀器的正常運(yùn)行，還可能對人體健康造成潛在威脅。傳統(tǒng)電磁干擾（EMI）屏蔽材料雖能起到一定阻隔作用，卻普遍存在“二次污染”隱患——高反射特性導(dǎo)致電磁波的反射；目前已報(bào)道的電磁屏蔽材料對低反射、寬頻化、規(guī)�；I(yè)應(yīng)用尚未得到充分探索。同時(shí)，多數(shù)材料難以兼顧機(jī)械強(qiáng)度、柔性和極端環(huán)境耐受性，無法滿足可穿戴設(shè)備、航空航天等高端領(lǐng)域的需求。

  針對上述難題，武漢紡織大學(xué)王棟教授團(tuán)隊(duì)在國際知名期刊《Advanced Science》上發(fā)表題目為“High Electrical Conductivity Induced by Surface Confinement Effect in Heterostructured Multifunctional Nanofiber Composite Films for Low-Reflection Electromagnetic Interference Shielding”的研究論文。本研究以聚乙烯醇-共聚-聚乙烯（PVA-co-PE）納米纖維為基材，結(jié)合一維銀納米線（AgNW）和二維MXene納米片，通過兩步噴涂法和表面限域效應(yīng)制備出具有低反射特征的異質(zhì)結(jié)構(gòu)多功能納米纖維復(fù)合膜（PAMx）。PAMx復(fù)合膜的制備流程及應(yīng)用如圖1所示。

圖1 PAM_x復(fù)合膜的制備及規(guī)�；I(yè)應(yīng)用。

【PAM_x復(fù)合面膜的微觀形貌與結(jié)構(gòu)表征】

圖2 PAMx復(fù)合膜的微觀形貌及交聯(lián)機(jī)理。

  如圖2所示，復(fù)合膜中納米纖維在戊二醛的作用下發(fā)生交聯(lián)，此外，AgNW、MXene和納米纖維之間的氫鍵作用進(jìn)一步增強(qiáng)了界面作用力，從而在表面形成了穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖3 PAMx復(fù)合膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

  如圖3所示通過XRD、FTIR和XPS分析揭示了PAMx復(fù)合膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)與界面相互作用機(jī)制。MXene在蝕刻鋁層后，（002）衍射峰從9.5°左移至5.9°，表明鋁層成功去除（圖3a）。由圖3b PAMx復(fù)合膜的XRD曲線中出現(xiàn)的（002）晶面為MXene的特征晶面，而（111）、（200）和（220）晶面為AgNW的特征晶面，這說明AgNW與MXene成功與納米纖維進(jìn)行發(fā)生交聯(lián)。FTIR分析表明，AgNW與MXene通過O–H和C=O基團(tuán)形成氫鍵，導(dǎo)致羥基峰從3441 cm^-1偏移至3457 cm?1（圖3c）。隨著AgNW/MXene含量增加，復(fù)合薄膜的O–H峰從3305 cm^-1移至3376 cm^-1，表明自由羥基向締合羥基轉(zhuǎn)化，強(qiáng)化了組分間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)（圖3d）。XPS中C=O結(jié)合能偏移和O–H結(jié)合能升高反映了氫鍵對界面結(jié)合力和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的增強(qiáng)作用（圖3e-i）。這些結(jié)果共同表明，氫鍵與化學(xué)相互作用優(yōu)化了PAMx復(fù)合膜的機(jī)械性能和導(dǎo)電性能。

【PAM_x復(fù)合面膜的性能分析及應(yīng)用】

圖4 PAMx復(fù)合膜的電磁屏蔽性能及屏蔽機(jī)理。

  圖4中描述了PAMx復(fù)合膜在8.0-20.0 GHz超寬頻范圍內(nèi)展現(xiàn)出以吸收為主的高效電磁屏蔽效能（EMI SE）。當(dāng)AgNW/MXene含量為5.4 wt%時(shí)，復(fù)合膜的EMI SE達(dá)60.2 dB（其中反射系數(shù)R=0.13），表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使電磁波大部分被吸收進(jìn)入內(nèi)部，并且內(nèi)部碰撞概率顯著提升，從而使電磁波完全吸收。該復(fù)合膜不僅解決了電磁波被反射引起的二次污染的難題，還可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大批量生產(chǎn)。

圖5 PAMx復(fù)合膜與已報(bào)道的電磁屏蔽材料的性能對比及仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。

  圖5中PAMx復(fù)合膜的電磁屏蔽性能及綜合優(yōu)勢在對比材料中占據(jù)性能優(yōu)勢區(qū)。該性能源于異質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用，相較于傳統(tǒng)高填充材料（通常需>10 wt%填充量），該復(fù)合膜在5.4 wt%填充量時(shí)即實(shí)現(xiàn)60.2 dB的高效電磁屏蔽，其SSE/t值（36352.7 dB cm² g^-1）較碳基/金屬復(fù)合材料提升近2個(gè)數(shù)量級。優(yōu)化響應(yīng)模型數(shù)據(jù)圖進(jìn)一步揭示了低填充量通過強(qiáng)化界面氫鍵作用，同步提升了復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度與EMI SE。

圖6 PAMx復(fù)合膜的焦耳熱性能及其應(yīng)用展示。

  圖6描述了PAMx復(fù)合膜的導(dǎo)電性能及其焦耳熱性能的應(yīng)用。由于AgNW/MXene導(dǎo)電介質(zhì)的引入，PAMx復(fù)合膜的導(dǎo)電率達(dá)到90.6 S/cm，表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性，這也為其具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能奠定了基礎(chǔ)。此外，該復(fù)合膜還展現(xiàn)出優(yōu)異的焦耳熱性能，當(dāng)輸出電壓為2.0 V時(shí)，該復(fù)合的表面溫度可迅速達(dá)到飽和溫度（44.1℃），該溫度為人體適宜溫度，并在關(guān)閉電壓時(shí)迅速恢復(fù)至室溫。這說明該復(fù)合膜在人體熱療、焦耳加熱器等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用潛力。

圖7 PAMx復(fù)合膜優(yōu)異的機(jī)械性能及增強(qiáng)機(jī)理。

  圖7中描述了PAMx復(fù)合膜優(yōu)異的機(jī)械性能及其增強(qiáng)機(jī)理。隨著AgNW/MXene含量增加，復(fù)合膜斷裂強(qiáng)度高達(dá)18.33 MPa，相較于改性前的樣品，PAMx復(fù)合膜的力學(xué)性能顯著提升了224%，且經(jīng)過1萬次壓縮形變后壓縮應(yīng)力幾乎不變，表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)穩(wěn)定性。該復(fù)合膜具有優(yōu)異的機(jī)械性能是由于納米纖維間的交聯(lián)作用及AgNW、MXene與納米纖維三者間的氫鍵二次增強(qiáng)作用，使得界面作用力得到大大提高，進(jìn)而使得PAMx復(fù)合膜具有優(yōu)異的機(jī)械性能。這使其在柔性可穿戴、智能織物等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

圖8 PAMx復(fù)合膜的可視化應(yīng)變傳感性能。

  圖8中展示了PAMx復(fù)合膜優(yōu)異的應(yīng)變傳感性能。即PAMx復(fù)合膜通過貼附于人體部位觀察電阻率的變化曲線，可實(shí)現(xiàn)人體各部位的行為捕捉，這使其在智能可穿戴與人體健康行為監(jiān)測等領(lǐng)域具有較大潛力。

  該論文的第一作者為武漢紡織大學(xué)碩士研究生陶德昌，王棟教授和楊晨光副教授為論文的通訊作者，第一單位為武漢紡織大學(xué)紡織纖維及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。該工作受國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202510386