作者：Hai-Yang Li, Xuan-He Ru, Ying Song, Huan-Ping Wang, Chen-Hui Yang, Shui-Rong Zheng, Lei Gong, Xi
关键字：.
论文来源：期刊
具体来源：Industrial & Engineering Chemistry Research, 2022, 61, 32, 11766–11776
发表时间：2022年

  为保护新一代通信技术和可穿戴电子设备，迫切需要具有强电磁波吸收和低反射的高效电磁干扰（EMI）屏蔽材料。在这项工作中，通过真空辅助浸渍和固化的方法构建了具有三明治结构的硅橡胶/MXene/Fe3O4（SRMF）复合材料。SRMF复合材料的上层和下层是含有Fe3O4颗粒和SR的磁性层，中间层是MXene气凝胶膜和SR的三维导电网络层。这种夹层结构使复合材料能够有效屏蔽入射电磁波，并按照“吸收-反射-再吸收”机制改善电磁波的吸收。含有1.2wt% MXene和20 wt% Fe3O4的电磁屏蔽性能夹层结构SR复合材料达到55.5 dB，高于含有相同MXene和Fe3O4含量的共混SRM1.2F20b复合材料（23.1 dB），反射率的功率系数为0.65，SRMF复合材料在1000次弯曲循环后具有EMI屏蔽性能和良好的拉伸强度。因此，这些柔性SRMF复合材料在智能穿戴电磁防护领域具有广阔的应用前景。

  图1（a）为SRMF复合材料的制备流程示意图。首先，通过选择性蚀刻MAX（Ti3AlC2）来制备Ti3C2Tx（MXene），然后，通过冷冻干燥和模压制备MXene气凝胶膜（MAF）。为了制备三明治状结构的上层和下层，首先将液体SR与Fe3O4颗粒混合；随后，将具有一定含量Fe3O4的SR倒入培养皿（作为夹层结构中的下层）；将MAF置于SR/Fe3O4层的顶部，并将适当含量的SR倒入MAF上。真空辅助浸渍用于制备SR/MMAF层，直到没有观察到气泡。然后，将Fe3O4含量与第一表面层相同的SR浇注到SR/MMAF层上。最后，将培养皿置于90°C的真空烘箱中2小时，以获得夹层结构的SR/MXene/Fe3O4复合材料。

  图1（b）和（c）显示了SRMF的SEM图像。从图中可以看出，粒状Fe3O4颗粒分布在SRM1.2Fy复合材料的上层和下层，致密的SR/MAF中间层显示出明显的褶皱和褶皱，EDS图像观察到明显的夹层结构，Si元素分布在所有层中，表明液体SR完全浸入MAF内，固化后，复合材料的上层、中层和下层形成一个整体。复合材料中间层MXene气凝胶膜的存在产生了三维导电网络，这可能有利于复合材料的导电性。

图1（a）三明治结构SR/MXene/Fe3O4复合材料的制备过程示意图。（b）SRM1.2F5和（c）SRM1.2F20复合材料的横截面SEM图像和元素映射。

  图2显示SRMF复合材料的电磁屏蔽性能。与SRM复合材料相比，随着Fe3O4含量的增加，SRMF复合材料的平均电磁屏蔽效能从31.4 dB（SRM1.2F5）增加到55.5 dB（SRM2.2F20）。SRMF复合物在X波段的平均SEA显著高于SRM1.2复合材料，并且SRMF的SEA随着Fe3O4含量的增加而增加，而SER几乎没有变化（图2（e））。将Fe3O4颗粒引入复合层增加了复合材料内部电磁波的磁损耗，使得更多的电磁波被衰减和吸收。如图3（f）所示，与SRM1.2复合材料（A系0.249）相比，SRM1.2F5、SRM1.2F10、SRM1.2 F15和SRM1.2F20复合材料的A系数分别增加至0.377、0.365、0.362和0.348。因此，与SRM复合材料一样，SRMF复合材料的屏蔽机制主要是反射性的，但表现出更多的吸收。

  为了进一步揭示复合材料之间的结构差异对电磁屏蔽性能的影响，比较了夹层结构复合材料和混合样品的电磁屏蔽性能。如图3（g）所示，SRM1.2、SRM1.2b、SRM1.2 F20和SRM1.2F20b在X波段的平均电磁屏蔽性能分别为31.4 dB、7.65 dB、55.5 dB和23.0 dB，这表明复合材料的三明治状结构显示出比混合样品更好的电磁屏蔽性能。

图2（a）SRM复合材料的EMI SE曲线与频率。（b）X波段SRM复合材料的平均SET、SEA、SER和（c）平均R、A。（d） SRMF复合材料的EMI SE曲线与频率。（e）X波段SRMF复合材料的平均SET、SEA、SER和（f）平均R、A。（g）夹层结构复合材料和混合对比样品的EMI SE曲线与频率的关系。（h） X波段不同样本的平均SET、SEA、SER。（i）本工作与报道的文献之间的EMI屏蔽性能比较。

  图3显示了三明治结构SR/MXene/Fe3O4复合材料的电磁屏蔽机理示意图。当入射电磁波接触复合材料的表面层时，包含绝缘SR和磁性Fe3O4的磁性层有效地调节了表面层与空气之间的阻抗匹配，这允许更多的电磁波进入复合材料。电磁波与表面层中的Fe3O4粒子相互作用，由于铁磁共振和涡流损耗，降低了入射电磁波能量。由于中间层和表面层之间的导电性差异，当入射电磁波接触中间层时，发生阻抗失配，因此，一些电磁波被反射并返回到磁性表面层，在那里磁性粒子削弱了它们。其余的电磁波进入中间层，并由于MXene表面的官能团而经历极化损失。由于中间层的连续导电网络，在电磁波的作用下会产生微电流，从而导致欧姆损耗。同时，MAF的3D网络结构扩展了入射电磁波的传播路径，导致每个入射电磁波被多次反射，并将电磁波转换为热量，从而进一步衰减。SR和MAF之间有大量的界面，这会产生严重的界面极化和电导损失。对于磁偶极子和电偶极子，在电磁场的作用下发生偏转，进一步削弱电磁波的能量。最后，只有一小部分电磁波通过SRMF复合材料。在夹层结构的EMI屏蔽复合材料中，电磁波经历了“吸收-反射-再吸收”过程，其中，进入磁性层的电磁波的一部分首先被吸收，然后被导电层反射并返回磁性层再次被吸收。这种屏蔽过程有效地减少了入射电磁波的反射，从而减少了它们对环境的二次污染。中间层中易氧化的MXene也受到磁性层和SR的保护，这确保了使用中复合材料的性能稳定性。

图3三明治结构SR/MXene/Fe3O4复合材料的电磁屏蔽机制示意图。