研究背景
随着5G通信技术和智能可穿戴电子产品的发展，高集成度的电子设备在现代生活中的需求量极大。然而，这些电子设备所发射出的电磁辐射将对人体健康和电子元器件的正常运行带来不利影响。不幸的是，这种趋势会随着电子信息技术的快速迭代而进一步扩大。因此，开发具有高柔韧性和功能完整性的电磁干扰（EMI）屏蔽材料以应对迫切的屏蔽需求至关重要。迄今为止，碳材料、金属纳米线、二维过渡金属碳化物和/或氮化物（MXene）已被研究人员广泛应用于屏蔽电磁辐射。形如复合纸/膜的复合材料在抵抗电磁辐射中取得了较好的应用，在超薄的功能层厚度下实现了优异的EMI屏蔽效率。然而，依靠单一的功能材料或将导电材料简单的混合，难以使其优势最大化。此外，复合纸/膜具有差的柔韧性和有限的机械应变稳定性，这些特性使其难以应用于灵活的人体屏蔽应用以及应变传感的集成。
除了薄膜材料外，柔性屏蔽材料（气凝胶、水凝胶、泡沫以及柔性复合材料）因其良好的柔韧性和弹性被用于各种EMI屏蔽应用中。但是，为了获得可观的屏蔽性能，柔性屏蔽材料难以避免的需要高填料比和大的厚度，这将使其丧失经济优势并限制其使用范围。为了克服这些挑战，迫切需要设计一种新的策略用于开发高性能屏蔽材料，以满足其应用场景日益复杂化的需求。同时，随着柔性和可穿戴电子产品的快速发展，新兴的屏蔽应用除了要在超薄的功能层厚度下实现高效的EMI屏蔽性能外，还应有利于应变传感性能的集成。因此，急需利用高效的结构设计制备出具有卓越EMI屏蔽性能和应变传感性能的复合材料。
研究成果
在电磁干扰屏蔽和可穿戴柔性器件领域，同时实现高效的电磁干扰屏蔽和人体运动监测是十分必要的。在这项工作中，浙江工业大学潘军&何青泉教授团队报道了由AgNW/MXene三明治结构和柔性PDMS衬底构建的基于超薄导功能层的多功能复合膜，该复合膜集成了高效的电磁干扰屏蔽和应变传感性能。复合膜在导电层厚度仅为1 µm时，表现出高达50.82dB的屏蔽效率以及良好的机械稳定性。此外，得益于银纳米线的加强作用，该复合膜作为应变传感器具有高灵敏度（GF=468）、线性机电响应以及极低检测限，其作为可穿戴应变传感器在运动检测和发声识别中表现出良好的应用前景。这项工作克服了固有柔性屏蔽材料的缺点，为多功能柔性屏蔽材料和可穿戴传感器的集成设计提供了新的策略。相关研究以“Multifunctional Flexible AgNW/MXene/PDMS Composite Films for Efficient Electromagnetic Interference Shielding and Strain Sensing”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。
图文导读
Fig 1. (a) Schematic diagram of the synthesis process of multifunctional flexible AgNW/MXene/PDMS composite films. (b) XRD patterns of the AgNW, Ti3AlC2, MXene, and AgNW/MXene/PDMS composite films. (c) TEM image of a single AgNW. (d) TEM image of MXene. The inset shows Tyndall effect of MXene dispersion. (e) Digital photograph of the AgNW/MXene/PDMS composite films. (f, g) SEM images of the composite films with different magnifications.
Fig 2. (a) EMI SE and (b) SER, SEA, and SET of the AgNW/PDMS, MXene/PDMS, and AgNW/MXene/PDMS composite films. EMI SE of the AgNW/MXene/PDMS composite films with (c) different AgNW/MXene relative contents and (d) different AgNW/MXene area fractions. (e) SER, SEA, and SET of the AgNW/MXene/PDMS composite films with different AgNW/MXene area fractions. (f) EMI SE relative increase rate for different AgNW/MXene area fractions.
Fig 3. (a) R, A, and T of the AgNW/MXene/PDMS composite films with an area fraction of 3.2 g/m2 in different X bands. (b) EMI SE change in the AgNW/MXene/PDMS composite films upon repeated bending and stretching. (c) Comparison of the EMI SE of AgNW/MXene/PDMS composite films under different temperature conditions a month later. (d) Comparison of EMI SE values of the AgNW/MXene/PDMS composite films with the other reported materials. (e) EMI shielding mechanism of the AgNW/MXene/PDMS composite films.
Figure 4. Relative resistance changes of the AgNW/MXene/PDMS composite films (a) with different mass fractions of AgNW/MXene and (b) strain for a tensile strain in the range of 0 to 68%, from which the gauge factor (GF) was calculated. (c) Response curve with an applied strain of 5% shows a response time of 0.2 s. (d) Reponse to a strain between 0 and 0.1%. (e) Strain performance curves with different deformation frequencies under 5% strain. (f) Strain performance curves under different tensile deformations. Monitoring of human motion using the AgNW/MXene/PDMS composite films (g) knee bending, (h) finger bending, and (i) swallowing action.
Fig 5. (a) Schematic of speech recognition by AgNW/MXene/PDMS composite films. Phonation when the wearer says (b) a single letter such as “Z”, “J”, “U”, and “T”, and a single word such as (c) “nihao” and (d) “help”. (e) Strain performance curve for 1000 tension-release cycles.
总结与展望
本文通过真空辅助过滤和转移方法制备了具有优异电磁干扰屏蔽和应变传感性能的多功能柔性AgNW/MXene/PDMS复合薄膜。通过组装AgNW/MXene三明治结构，巧妙地构建了坚固高效的三维导电网络。AgNW/MXene/PDMS复合膜具有优异的电磁干扰屏蔽效率，即使面积分数仅为3.2 g/m2（厚度仅为1µm），其屏蔽效率依然达到50.82 dB，并表现出优异的机械和环境稳定性。此外，该复合薄膜作为可拉伸应变传感器具有应变灵敏度高(GF=468)、响应速度快(0.2 s)、检测限低(0.1%)等特点，在人体运动检测，特别是语音识别等实际应用中表现出巨大潜力。多功能柔性AgNW/MXene/PDMS复合薄膜在未来柔性屏蔽材料、可穿戴电子设备以及人体运动检测及辐射防护等方面具有广阔的应用前景。
文献链接
Multifunctional Flexible AgNW/MXene/PDMS Composite Films for Efficient Electromagnetic Interference Shielding and Strain Sensing, ACS Appl. Mater. Interfaces, https://doi.org/10.1021/acsami.3c08093
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