北航《Matter》：首次报道！开/关可切换的智能电磁干扰屏蔽气凝胶！

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用于远距离信息传输的无线通信技术在我们的日常生活中起着重要作用，但它也会产生严重的电磁辐射污染。因此，电磁屏蔽（EMI）材料一直是近年来研究的热点。然而，传统的EMI屏蔽材料难以满足当今日益复杂和多变的服务环境，希望开发出可以根据特定应用要求和实时环境变化实现动态调整EM响应性能的智能EMI屏蔽材料。截至目前，多数研究都集中在增强屏蔽能力和改变屏蔽频率上，关于智能EMI屏蔽材料的研究仍处于起步阶段，且尚未涉及EMI屏蔽性能的开/关切换，这对于构建多功能智能EM响应系统具有重要意义。
北京航空航天大学水江澜教授、于荣海教授、Ya Li、Xiaofang Liu，澳大利亚新南威尔士大学戴黎明教授等人通过将导电碳纳米颗粒填充到木质层状碳气凝胶中，报道了一种开/关可切换的智能EMI屏蔽材料，其具有可逆的压缩性和应变敏感的导电性，可通过机械压缩和解压控制电磁波的传输和屏蔽。该气凝胶具有良好的阻抗匹配性和较低的介电损耗，允许电磁波通过。机械压缩使碳纳米颗粒能够在气凝胶中建立高导电通道，显著提高导电性，从而激活其EMI屏蔽性能。通过反复压缩和解压气凝胶，这种功能切换具有可逆性。这种前所未有的开/关可切换的EMI屏蔽材料为先进的智能电磁器件的发展开辟了新的道路。该研究以题为“Off/on switchable smart electromagnetic interference shielding aerogel”的论文发表在《Matter》上。
【气凝胶的制备与表征】
作者选用了具有垂直排列的微通道结构的木材作为构建碳气凝胶的原料。首先，依次用NaOH / Na2SO3混合溶液和H2O2溶液对木材进行水热处理，以去除木质素、半纤维素和部分纤维素（图1B）。此时木材变为白色，密度从205降低到108 mg cm-3，内部结构变为波浪状的层状结构，这是因为木材的薄细胞壁被溶解了，而沿X方向排列的纤维素纤维保留了下来（图1C-1E）。随后，将处理后的木材用作海绵，以吸收酸化的Vulcan XC-72碳纳米颗粒分散液。最后，通过冷冻干燥和退火处理，木材/ XC-72海绵转化为密度仅有54 mg cm-的碳气凝胶（WXC气凝胶）。
图1 气凝胶的制备和结构
【气凝胶的可压缩性和导电性】
WXC气凝胶的各向异性结构导致其各向异性的机械性能和电性能。当垂直于碳层压缩时，它会显示出较大的变形，并且在应力释放后会迅速恢复其原始高度（图2A）。经过30次压缩-解压循环后，WXC气凝胶仍能完全恢复而没有塑性变形（图2D）。此外，通过压缩可以大大提高WXC气凝胶的电导率。当应变从25％增至75％时，电导率从约0.4 Sm-1增至约17.3 S m-1（图2E）。图2F展示了当在气凝胶上施加应力时，LED变亮；而在释放应力时，LED变暗。未压缩时，气凝胶具有较大的层间距，碳层上的XC-72颗粒不能上下接触，表现出低导电状态。压缩后，堆叠的波浪状碳层的层间距大大减小（图2G，2J，2K），使附着于上下碳层的大量XC-72颗粒接触，以形成大量的导电通道，从而显着提高了气凝胶的电导率。
图2可开/关EMI气凝胶的电气和机械性能
【气凝胶的开/关可切换EMI屏蔽性能】
图3A和3B显示了WXC气凝胶的电磁屏蔽效果（SET（Y））和吸收效果（SEA（Y）），展现出了对应变的敏感性。未压缩的WXC气凝胶的SET（Y）非常低，约为1.4 dB，表明入射EM波以相当低的损耗穿透，此时状态为“关”。压缩后，WXC气凝胶的SET（Y）急剧增加，当应变达到75％时，SET（Y）提升至〜27.6 dB，超过了商业应用的标准EMI屏蔽要求（> 20 dB），即处于“开”状态。通过反复压缩和解压WXC气凝胶，可以在EMI屏蔽的开/关之间进行切换（图3C），且其性能在几个循环后几乎没有衰减。作者还用FEKO软件进行仿真。当EM波穿透未压缩的气凝胶时，其电场强度仅略微降低，表明EM波的有效传输。相反，在穿透压缩的气凝胶后，EM波的电场强度显着降低，从而证明了气凝胶强大的EMI屏蔽能力。
图3 气凝胶的电磁屏蔽性能
图4开/关可切换电磁屏蔽的机制
总结：作者开发了一种具有可逆压缩性和应变敏感导电性的碳质气凝胶，首次实现了开/关可切换的EMI屏蔽。该气凝胶可以快速响应应变变化，从而通过压缩和解压实现EM波传输和屏蔽之间的可逆转换。这种智能的开/关可切换EMI屏蔽材料可以根据实时要求进行动态调节，在先进的智能和多功能EM响应系统中具有巨大的潜力。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521001041

来源：高分子科学前沿
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