具有富水孔隙的高交聯(lián)水凝膠在模仿自然界中具有層級(jí)結(jié)構(gòu)的生物材料的多功能建筑的突出潛力。在這里，一種過(guò)渡金屬碳化物(Ti3C2 MXene)/聚乙烯醇(PVA)仿生水凝膠是通過(guò)冰模板冷凍然后鹽析的方法制造的。除了高導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度以及超柔性外，還成功地實(shí)現(xiàn)了蜂窩狀排列多孔結(jié)構(gòu)。由于MXene、PVA、水和仿生多孔結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同作用，該薄水凝膠在僅0.86 vol % MXene含量的情況下具有57 dB的x波段電磁干擾屏蔽效果(SE)。在8.2 ~ 40 GHz的超寬帶頻率范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了典型GHz頻率范圍內(nèi)的EMI SE超過(guò)50 dB。更重要的是，通過(guò)原位控制水凝膠的含水量，確定了水對(duì)電磁干擾屏蔽性能的定量影響。此外，該超柔性可穿戴水凝膠具有良好的應(yīng)變傳感性能，有助于對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行靈敏可靠的檢測(cè)和智能編碼。因此，這項(xiàng)工作為制備健壯、靈活、多功能的基于mxene的仿生水凝膠提供了一種途徑，可用于高性能EMI屏蔽和可穿戴應(yīng)變傳感器。
圖1 (a) MXene/PVA水凝膠的制備過(guò)程示意圖。(b) MXene薄片和MXene分散液的廷德?tīng)栃?yīng)的AFM圖像。(c) MXene的TEM圖像。(d) MXene/PVA水凝膠的SEM圖像和(e)對(duì)應(yīng)的O、F、C和Ti元素映射圖。超柔性的MXene水凝膠具有(f)形狀適應(yīng)性，(g)彎曲，扭轉(zhuǎn)和拉伸，以及MXene/PVA水凝膠條(約1 g)承受200 g載荷的照片，(h)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，以及(i)樣品的模量和拉伸強(qiáng)度。
圖2. (a)不同孔隙形態(tài)的0.86 vol % MXene/PVA水凝膠的x波段EMI SE。(b) x波段EMI SE和(c) SER、SEA和SET。(d)不同MXene含量水凝膠的功率系數(shù)。(e) EMI SE和(f)不同固體含量(MXene和PVA的體積分?jǐn)?shù))0.86 vol % MXene/PVA水凝膠的SER、SEA和SET。(g)樣品厚度對(duì)0.86 vol % MXene/PVA水凝膠EMI SE的影響。(h) MXene/PVA (0.86 vol %)水凝膠在1000次彎曲處理前后的x波段EMI SE。(i) X、Ku、K和Ka頻帶等典型GHz頻率范圍內(nèi)的EMI SE。
圖3 (a)顯示水凝膠和氣凝膠之間可逆轉(zhuǎn)換的示意圖。(b)不同含水量MXene/PVA水凝膠在10 GHz下的EMI SE和(c) SEA、SER和SET值。(d) MXene/PVA水凝膠的電磁干擾屏蔽性能與其他屏蔽復(fù)合材料的性能比較。(e)提出了具有排列孔通道的水凝膠的電磁干擾屏蔽機(jī)制。
圖4. (a)不同MXene含量的MXene基水凝膠在50%拉伸應(yīng)變下的相對(duì)阻力變化曲線(xiàn)。(b) 0.86 vol % MXene水凝膠的應(yīng)變GF。傳感器在(c)不同拉伸應(yīng)變和(d) 50%不同頻率應(yīng)變下的相對(duì)電阻變化。 (e)不同角度的彎曲誘導(dǎo)拉伸，(f)不同速度的手指彎曲，(g)快速點(diǎn)擊，信號(hào)對(duì)(h)“PVA”和(i)“MXene”的解碼產(chǎn)生響應(yīng)。
相關(guān)科研成果由山東大學(xué)理學(xué)院Jiurong Liu等人于2022年發(fā)表在ACS Materials Letters (https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.2c00778)上。原文：Biomimetic Porous MXene-Based Hydrogel for High-Performance and Multifunctional Electromagnetic Interference Shielding。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
