多尺度机械-电磁耦合气凝胶用于可调谐电磁波吸收

多尺度增强的PES/MXene/ANF复合气凝胶在超低密度（0.0243 g·cm?3）下实现高机械强度（0.972 MPa）、优异热绝缘（0.046 W·m?1·K?1）和可调电磁吸收性能，通过75%压缩应变实现吸收频段从X波段（8.37 GHz）连续迁移至Ku波段（17.1 GHz），揭示了机械变形协同调控导电网络密度与界面极化强度的机制。

　　

作者：邵硕 张|费月 胡|彭增|佩英 胡|佩婷 张|金 王|建 劉|郑 魏|秋华 张|龙珠 蔡|郑明 孙

中国东南大学材料科学与工程学院工程材料国家重点实验室，南京 211189

摘要

随着智能可穿戴电子设备和变形隐身平台的快速发展，迫切需要同时具备结构完整性、功能适应性和热稳定性的电磁波（EMW）吸收材料。传统的电磁吸收材料通常受到静态响应特性和机械性能不足的限制，这限制了它们在可重构系统中的应用。本文开发了一种多尺度增强的PES/MXene/ANF（PMA）复合气凝胶：脱质子化的芳纶纳米纤维（ANF）形成高强度的骨架结构，聚醚砜（PES）产生热诱导的界面交联，以增强机械强度并促进表面改性的Ti₃C₂T_x MXene纳米片在三维多孔网络中的均匀整合，这些纳米片作为高效的电磁耗散中心。得益于其分层结构和协同的界面相互作用，PMA-2气凝胶在极低的密度（0.0243 g·cm^-3）下实现了卓越的多功能性，包括出色的机械稳定性（75%应变时的压缩强度为0.972 MPa）、低热导率（0.046 W·m^-1·K^-1）、最小的总热量释放（1.6 kJ·g^-1）以及高效的EMW吸收性能。此外，其电磁响应可以通过机械变形精确调节。当压缩应变从0%增加到75%时，最小反射损失从-64.63 dB降至-39.52 dB，有效吸收带宽（定义为RL ≤ -10 dB）从7.85 GHz缩小到4.82 GHz，主要吸收峰从X波段连续移动到Ku波段。这项工作提出了一种机械可调、动态响应的电磁吸收材料，为设计自适应多功能材料提供了新的策略。

引言

随着5G/6G通信技术、物联网（IoT）和智能可穿戴电子设备的快速增长，当前的电磁环境变得越来越复杂和动态，这对电子设备的可靠运行和人类健康带来了显著的电磁干扰（EMI）和辐射暴露挑战[1]、[2]、[3]。下一代材料系统不仅需要提供高效的电磁波（EMW）屏蔽或吸收，还需要具备动态响应能力，并能实时适应不断变化的电磁威胁，以满足未来复杂应用场景的需求[4]、[5]。在实际工程中，许多EMI保护组件在承受显著机械应力的情况下工作，而不是处于松弛状态。典型的例子包括用于消除泄漏的电子外壳中的压缩EMI垫圈、夹紧的连接器/电缆屏蔽接口，以及集成在电池模块和电源电子设备中的压缩垫或泡沫，以提供缓冲和屏蔽。此外，可穿戴电子设备和柔性设备在日常使用中不可避免地会受到反复的身体压力[6]、[7]、[8]。然而，传统的电磁保护材料（如金属[9]、[10]、铁氧体[11]、碳基复合材料[12]和导电聚合物[13]）大多是刚性和静态的。它们的屏蔽效果和EMW吸收性能在制造完成后是固定的，无法根据外部条件或设备运行状态进行适应性调节[14]、[15]、[16]。这一固有限制严重限制了它们在新兴高科技领域的广泛应用，包括柔性电子、智能可穿戴设备和变形隐身平台[17]、[18]、[19]。

为了克服这些限制，研究人员正在积极开发可以通过电场[20]、热场[21]或湿度[22]等外部刺激实时调节性能的智能、动态响应的电磁保护材料。在这些策略中，基于机械变形的调节方法因其操作简单、响应机制直观以及与柔性设备服务环境的良好兼容性而受到广泛关注。最近的研究表明，宏观变形（如压缩、拉伸或弯曲）可以有效调整多孔材料的导电网络密度和介电参数，从而实现对电磁响应的主动控制[23]。例如，袁等人[24]设计了一种压缩增强的电磁屏蔽气凝胶，可以通过压缩应变在低屏蔽状态（63.8 dB）和高屏蔽状态（92.7 dB）之间可逆切换。同样，孙等人[25]制备了一种具有“泡沫-片状-纤维”交错结构的分层各向异性气凝胶，利用压缩应变协同调节电子传输和电荷极化，实现了EMW吸收性能的动态可调性。从根本上说，这些多孔系统中的压缩驱动频率调节源于两个协同作用：宏观物理厚度的减小，决定了四分之一波长匹配条件；以及微观电磁参数的演变，如导电网络的重新配置和由此产生的介电常数和阻抗匹配的变化[26]、[27]。然而，大多数现有研究主要集中在调节EMW吸收或屏蔽的“强度”上。关于压缩引起的频率带迁移（即吸收频率窗口的重建）及其背后的物理机制的系统研究仍然很少。此外，对于阻抗匹配和衰减能力在机械-电磁耦合过程中的共同演变缺乏深入理解。这些知识空白严重阻碍了机械可调EMW吸收材料的合理设计和实际应用[28]、[29]、[30]。

为了确保良好的结构稳定性和EMW吸收性能，功能组件必须同时具备足够的电导率和分层结构特性，以促进相邻相之间形成有效的导电网络，从而实现高效的EMW衰减，同时保持良好的界面兼容性和机械性能[31]、[32]、[33]。为此，由多维协同损耗组件和多个异质界面构成的柔性纤维气凝胶系统作为轻质、灵活和多功能EMW吸收器的理想机械支架和结构平台应运而生，因为它们具有极低的密度、高孔隙率、可调的分层孔结构以及出色的三维（3D）互连网络特性[34]、[35]、[36]、[37]、[38]。此外，二维（2D）Ti₃C₂T_x MXene因其超高的电导率、大的比表面积和丰富的表面官能团而被广泛认为是实现高效电磁能量耗散的关键功能单元，近年来在电磁屏蔽和吸收应用中引起了广泛的研究兴趣[39]、[40]、[41]、[42]、[43]。将MXene有效整合到柔性纤维气凝胶基质中不仅促进了机械和电磁功能的协同优化，还为高性能、可调的柔性吸收器提供了极具前景的技术途径。然而，MXene纳米片与纳米纤维基质之间缺乏强烈的界面相互作用，往往导致MXene在气凝胶网络中聚集，这不仅显著降低了气凝胶的机械韧性，还阻碍了均匀导电网络的形成，从而影响了电磁参数的精确调节[44]、[45]、[46]。此外，在宏观变形下，气凝胶内部导电网络的拓扑结构、界面接触状态和极化行为会发生复杂演变；然而，关于机械刺激如何协同调节阻抗匹配和衰减能力的机制理解仍然不足，这使得难以准确和可预测地控制EMW吸收性能和吸收峰的频率范围[47]、[48]、[49]。在材料制备和机制理解层面克服这些限制对于推进下一代智能柔性吸收器至关重要[50]。

本文提出了一种多尺度协同增强策略：通过将聚醚砜（PES）热锚定在芳纶纳米纤维（ANF）骨架的网络连接处来构建坚固的界面链接，同时将2D Ti₃C₂T_x MXene纳米片整合到交织的纤维网络中，成功制备了具有多个异质界面的PES/MXene/ANF（PMA）复合气凝胶。与之前基于传统多孔结构（如碳泡沫、聚合物海绵和气凝胶[14]、[18]、[24]、[25]、[31]、[47]）的压缩可调吸收器相比，独特的PES-MXene-ANF结构实现了高压缩韧性、超轻密度、高性能隔热和阻燃性能的结合，同时具有更宽且更可控的调节窗口。PMA-2气凝胶在0.0243 g·cm^-3的低密度下表现出卓越的压缩韧性（75%压缩恢复率）、隔热能力（0.046 W·m^-1·K^-1）和低总热量释放（1.6 kJ·g^-1）。进一步研究表明，其EMW吸收行为可以通过外部压缩应变动态且连续地调节：随着压缩比从0%增加到75%，最小反射损失从-64.63 dB降至-39.52 dB，有效吸收带宽（EAB，定义为RL ≤ -10 dB）从7.85 GHz调整到4.82 GHz，吸收峰频率从X波段（8.37 GHz）移动到Ku波段（17.1 GHz），从而实现了EMW吸收频率窗口的动态切换。机制分析表明，压缩应变协同调节了异质界面处的导电网络密度和极化强度，有效调节了阻抗匹配和电磁损耗行为。这项工作不仅为柔性电子设备和变形平台提供了一种集成材料解决方案，结合了结构承载、高效隔热和动态电磁保护，还为深入理解多孔柔性系统中的机械-电磁耦合机制提供了重要的实验证据和设计思路。

材料

Kevlar纤维1000D购自杜邦公司（美国）。Ti₃AlC₂（325目，99%）从Forsman Scientific公司（中国）购买。氟化锂（LiF，99%）、四丁基氢氧化铵（TBAOH，40%水溶液）、盐酸（HCl，36–38 wt.%）、氢氧化钾（KOH，99%）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，99.5%）、异丙醇（IPA，99.5%）、叔丁醇（TBA，99.5%）和聚醚砜（PES，99%）从Macklin Biochemical公司（中国）获得。二甲基砜

PMA气凝胶的制备和表征

如图1a所示，PES/MXene/ANF（PMA）复合气凝胶是通过溶胶-凝胶工艺结合冷冻干燥和热处理制备的。首先在碱性条件下对商用Kevlar纤维（图S1a）进行脱质子化，得到分散良好的芳纶纳米纤维（ANF）悬浮液。然后将聚醚砜（PES，图S1b）和Ti₃C₂T_x MXene纳米片（通过蚀刻Ti₃AlC₂ MAX相获得，并进行表面改性（图S1d）后加入ANF系统中

结论

总之，本研究通过结合溶胶-凝胶处理、冷冻干燥和热诱导界面增强的综合策略，制备了一种多尺度协同增强的PES/MXene/ANF（PMA）复合气凝胶。该材料以高强度的ANF作为坚固的骨架结构，PES衍生的“界面铆钉”显著增强了网络的刚性和弹性恢复能力，而MXene则嵌入三维多孔网络中，作为高效的

CRediT作者贡献声明

郑 魏：指导。 金 王：项目管理。 佩婷 张：指导、资源管理、项目管理、资金获取、撰写-审阅与编辑。 秋华 张：项目管理。 郑明 孙：指导、资源管理、项目管理、资金获取。 建 劉：资金获取、撰写-审阅与编辑。 龙珠 蔡：可视化、软件、实验研究。 彭 增：可视化。 佩英 胡：可视化。 邵硕：撰写-审阅与编辑。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52431003和U23A20574）、中央高校基本科研业务费（2242025K20004）以及博士生创新能力提升计划（CXJH_SEU 26173）的支持。