1.引言

目前，屏蔽材料以及吸波材料的主要是研究碎電磁波的衰減或吸收，以消除對(duì)電子元件，人體，環(huán)境產(chǎn)生的干擾或傷害。傳統(tǒng)的屏蔽材料和吸波材料有鐵氧體吸波劑，磁性微球吸波劑，碳基吸波劑等。為了達(dá)到“薄，輕，寬，強(qiáng)”的綜合要求，因此多波段，寬頻帶，質(zhì)量輕的新型屏蔽/吸波材料被不斷設(shè)計(jì)研發(fā)。

電磁波吸收基本原理

電磁波吸收材料在電磁波消耗和吸收的過程中，主要通過將電磁波的能量吸收轉(zhuǎn)化為熱能以及其他能量進(jìn)而達(dá)到能量損耗的目的。優(yōu)良的電磁波吸收材料主要應(yīng)該具有阻抗匹配特性和衰減特性。如吸波材料的工作示意圖所示，電磁波入射到吸波材料的表面時(shí)，在界面會(huì)發(fā)生投射和反射。阻抗匹配是指盡可能的將電磁波進(jìn)入到材料的內(nèi)部而減少在表面的反射系數(shù)，當(dāng)電磁波進(jìn)入到材料內(nèi)部后隨即發(fā)生電磁波損耗，這稱之為衰減特性。根據(jù)傳輸線理論，當(dāng)材料的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率足夠大的時(shí)候，電磁波能夠充分被損耗。然而，相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率越低時(shí)，阻抗匹配越好，即表明良好的阻抗匹配和有效的特性衰減通常是不能夠同時(shí)達(dá)到。

吸波材料的工作示意圖

2.正文

（1）核殼結(jié)構(gòu)的RGO/MXene空心球泡沫具有優(yōu)異的吸波性能

近年來，MXene作為一種新型的二維納米碳/氮化物材料具有類石墨烯類的層狀結(jié)構(gòu)，以及大的比表面積而使得其具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。層間距可調(diào)也使得其具有區(qū)別于其他的二維材料的顯著優(yōu)勢，因此是一種非常有研究價(jià)值和研究潛力的電磁波吸收材料。目前，西北工業(yè)大學(xué)殷小瑋課題組利用MXene與RGO通過自組裝策略和犧牲模板法設(shè)計(jì)合成了具有核殼結(jié)構(gòu)的RGO/MXene空心球形貌的異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料用于X波段的吸波性能評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，材料厚度為3.2mm，且密度僅為0.0033gcm-3時(shí)可以實(shí)現(xiàn)X波段全覆蓋的有效吸收，而其SMAP值可達(dá)到14299.2 dB cm-2 g-1 （SMAP = RL （dB）/Thickness （cm）/Density （g cm-3））。

文章中提出了吸波材料的復(fù)合模型：A相通常為具有低的介電常數(shù)的材料，不具備電磁損耗的能力，B相為具有高的介電常數(shù)材料，而作為吸波材料；而C相應(yīng)該具有適中且可調(diào)節(jié)的介電常數(shù)，從而被引入優(yōu)化復(fù)合材料的阻抗匹配性。其中，包括A/B/C和 A/B-core/C-shell模型的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)能夠有效的提升電磁吸波性能，這是因?yàn)樵贑相與B相間豐富的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)增加極化效應(yīng)。文章提出了這一獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)高性能的電磁吸波材料具有重要的指導(dǎo)意義。

圖1 （a）  X波段，RL < -10 dB時(shí) 厚度（2, 3, 4, 4.5 mm）與復(fù)介電常數(shù)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系；（b） 已報(bào)道的電磁吸收模型的示意圖；（c） Ti3C2TX 球以及RGO/Ti3C2TX 泡沫制備的示意圖。

（Ref. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1803938）

（2）噴墨打印自組裝MXene與蛋白質(zhì)用于刺激響應(yīng)電磁屏蔽

區(qū)別于傳統(tǒng)的化學(xué)合成制備方法，賓夕法尼亞大學(xué)的Melik C. Demirel組利用以魷魚環(huán)齒（squid ring teeth）為基底的串聯(lián)重復(fù)合成蛋白作為分子自組裝模板用于設(shè)計(jì)MXene墨水，進(jìn)而作為電極而印刷在各種襯底上，如玻璃，纖維素紙，柔性聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）等。印刷在PET基底上的MXene電極的電導(dǎo)率可高達(dá)1080 ± 175 S cm-1，這大大的超過了石墨烯（250 S cm-1）以及還原石墨烯（340 S cm-1）等其他二維材料組成的最先進(jìn)的噴墨打印電極的電導(dǎo)率。這種柔性的電極表現(xiàn)出優(yōu)異的電磁屏蔽性能，在1.35 μm 厚度下EMI SE值達(dá)到可達(dá)50dB，這主要?dú)w功于材料高的電導(dǎo)率以及層狀的結(jié)構(gòu)。這類圖案電極具有顯著的電屏蔽以及電磁屏蔽性能，可以對(duì)濕度變化做出反應(yīng)，從而擴(kuò)大了這些二維油墨的應(yīng)用范圍。

圖2（a） MXene 結(jié)構(gòu)示意圖；（b） 蛋白質(zhì)氨基酸序列的重復(fù)和串聯(lián)重復(fù)過程示意圖；（c） 蛋白介導(dǎo)的MXene片材在噴墨打印過程中的組裝示意圖；（d） 原始的以及蛋白質(zhì)基的MXene/DMSO分散于不同蛋白質(zhì)濃度的圖像；（e） 從噴墨打印機(jī)的頻閃照相機(jī)上獲得的各種油墨配方的微滴噴射序列的圖像（比例代表250µm）。

（Ref. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1801972）

（3）具有自清潔，絕熱的多功能有機(jī)-無機(jī)氣凝膠作為高性能微波吸波材料

多功能化是微波吸波材料未來必然的發(fā)展方向，因此于榮海課題組近期報(bào)道了一種多功能的氣凝膠微波吸波材料。聚丙烯腈纖維和聚苯并惡嗪膜分別 作為骨架和交聯(lián)劑，進(jìn)一步通過冷凍干燥形成由碳納米管互相連接的三維骨架結(jié)構(gòu)，而Fe3O4 納米粒子均勻的分散在氣凝膠中。制備得到氣凝膠具有超輕，超薄，高強(qiáng)度的優(yōu)勢，可達(dá)到最小的RL值為-59.58dB.此外，由于氣凝膠具有較強(qiáng)的吸水性以及良好的隔熱性能而使得其具有了自清潔，紅外隱身以及可以與商業(yè)化隔熱材料相媲美的性能和優(yōu)勢。這種材料具有多功能的優(yōu)勢是歸因于纖維素結(jié)構(gòu)，多維納米材料的自組裝，材料中有機(jī)與無機(jī)部分之間的協(xié)同作用。這種新型的合成策略將為后續(xù)開發(fā)其他多功能的微波吸波材料，電磁波吸波材料等奠定了基礎(chǔ)。

圖3 有機(jī)-無機(jī)混合氣凝膠的合成示意圖

（Ref. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1807624）

（4）具有疏水性的修飾MXene的滌綸織物具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能

隨著多功能可穿戴只能電子織物逐漸成為新的研究熱點(diǎn)，如何平衡共有性能與新功能依舊是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前，張好斌課題組設(shè)計(jì)制備一種具有優(yōu)異電磁干擾屏蔽效率和優(yōu)異的焦耳熱性能的高導(dǎo)電性，疏水性的新型織物材料。原位聚合吡咯（ppy）改性的MXene納米片沉積在聚對(duì)苯二甲酸乙酯織物上，隨后涂敷硅樹脂涂層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種具有多功能的織物具有高的電導(dǎo)率約1000 S m?1,在1.3 mm的厚度下的電磁干擾屏蔽效率高達(dá)~90dB.涂敷薄的有機(jī)硅涂層使得具有親水性的ppy/MXene修飾的織物具有了疏水性，因此這使得在保持紡織品具有原有良好透氣性的同時(shí)還具有防水的功能。此外，這一多功能的紡織品同時(shí)也表現(xiàn)出了良好的 中等電壓驅(qū)動(dòng)焦耳加熱功能。這一獨(dú)特的改性設(shè)計(jì)在新型的可穿戴智能服裝以及電磁干擾屏蔽，還有個(gè)體加熱等應(yīng)該方面具有更為巨大的應(yīng)用前景。

圖4（a） 原位聚合聚吡咯改性MXene示意圖；（b） 聚吡咯/甲基丙烯酸甲酯裝飾PET紡織品及多功能硅涂層m-紡織品的制備示意圖。

（Ref. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1806819）

（5） 機(jī)械可調(diào)的各向異性MXene氣凝膠應(yīng)用于電磁波屏蔽

質(zhì)量輕的柔性材料是理想的電磁屏蔽材料用于保護(hù)智能電子設(shè)備免受電磁污染。目前，殷小瑋課題組報(bào)道了MXene膠體溶液利用雙向冷凍鑄造的方法制備得到定向組裝為長程有序的三維多孔氣凝膠結(jié)構(gòu)。性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明： MXene氣凝膠的電阻在50%應(yīng)變下經(jīng)過20次壓縮循環(huán)后任然能保持穩(wěn)定。Ti3C2Tx, Ti2CTx, 以及Ti3CNTx 氣凝膠在具有近似密度（~11.0 mg cm-3）的EMI SE值分別達(dá)到了70.5， 69.2， 54.1 dB。這種層疊結(jié)構(gòu)和內(nèi)部蜂窩狀結(jié)構(gòu)的MXene氣凝膠有石墨烯基海綿結(jié)構(gòu)類似的優(yōu)點(diǎn)，即良好的壓縮性能，低的比重，高的導(dǎo)電性，良好的電磁屏蔽性能。如機(jī)理圖所示，入射電磁波除去在材料表面部分的反射，大部分進(jìn)入到由垂直和水平取向的MXene構(gòu)建為蜂窩狀結(jié)構(gòu)經(jīng)歷多重反射/散射而被損耗。MXene氣凝膠具有大孔結(jié)構(gòu)能夠與自由空間的阻抗匹配性更強(qiáng)，表面豐富的自然缺陷提供了更多的極化中心，在交替的電磁場中提供極化損耗，因此具有高的吸收率。此外，由具有良好導(dǎo)電性的卷曲狀MXene片構(gòu)建的長程有序的MXene片狀結(jié)構(gòu)對(duì)時(shí)變電磁感應(yīng)電流能夠提供介電損耗的同時(shí)轉(zhuǎn)化為熱能。

圖5 （a） 雙向冷凍凝結(jié)鑄造機(jī)理示意圖；（b） 由不同種類的MXene納米片組裝而成的板層之間相互僑聯(lián)的MXene氣凝膠示意圖，其中Tx 代表表面的一些基團(tuán)（–OH, –O, –F）。

 （Ref. Adv. Optical Mater. 2019, 1900267）

（6）碳布修飾ZnO垂直陣列用于定向偏振調(diào)諧寬頻帶的吸收

圖6 CC@ZnO的合成路線示意圖

近期，復(fù)旦大學(xué)車仁超課題組報(bào)道了一種新型的具有良好電磁耦合性能的極化碳基介質(zhì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方法。基于原位定向生長的方法，在柔性導(dǎo)電碳布基底上垂直生長高度均勻的極性氧化鋅陣列CC@ZnO。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，負(fù)離子調(diào)控是影響形成單棒，團(tuán)簇和四足ZnO排列的關(guān)鍵因素。碳基-ZnO作為一種典型的介電損耗的復(fù)合材料，在CC@ZnO體系中的電磁參數(shù)以及ZnO納米棒中的電荷密度分布取決于作為電子傳輸通道的三維碳布結(jié)構(gòu)。此外，由于具有豐富缺陷的ZnO陣列與碳布基底接觸良好，因而有利于界面極化，多重散射以及良好的阻抗匹配。性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，CC@ZnO的有效吸收頻帶寬度可高達(dá)10.6GHz, 能夠覆蓋整個(gè)X波段以及Ku波段。取向性的氧化鋅具有氧空位以及暴露于大量本征極性表面，激發(fā)了微波頻率下的極化行為。優(yōu)化后的CC@ZnO復(fù)合材料具有電子傳輸快，微波能量耗散快，寬頻率吸收等優(yōu)點(diǎn)。綜上，復(fù)合材料具有良好的柔韌性以及調(diào)諧和寬吸收的吸波性能。

（7）碳納米結(jié)構(gòu)在高頻電磁波吸收的應(yīng)用

碳納米結(jié)構(gòu)以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能與其他吸波材料相比而引人注目。石墨烯，碳納米管，而其他特殊的碳納米結(jié)構(gòu)在高頻范圍內(nèi)作為電磁波吸收材料已變得尤為重要。基于碳納米結(jié)構(gòu)和其他損耗材料的各種納米復(fù)合材料可以作為高性能的吸波材料進(jìn)行改性。近期在Adv.Sci上發(fā)表的一篇關(guān)于碳材料在作為電磁吸吸收材料在高頻的應(yīng)用做了詳細(xì)論述。文中介紹了碳納米結(jié)構(gòu)的電磁波吸收理論，綜述了碳納米結(jié)構(gòu)高頻電磁波吸收的研究進(jìn)展。同時(shí)介紹了碳納米結(jié)構(gòu)在高頻電磁波吸收方面的研究進(jìn)展、面臨的挑戰(zhàn)和前景。這篇綜述對(duì)后續(xù)碳材料的制備合成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

（Ref. Adv. Sci. 2019, 1801057）

3.全文小結(jié)以及展望

梳理近期最新設(shè)計(jì)制備的屏蔽/吸波材料可以發(fā)現(xiàn)，新型的屏蔽/吸波材料正在擴(kuò)寬傳除去統(tǒng)單一的強(qiáng)特性衰減的要求而逐漸趨于多功能化，實(shí)現(xiàn)可穿戴化的多元角度的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。這種多元應(yīng)用的設(shè)計(jì)思路與新的策略順應(yīng)了時(shí)代對(duì)新型材料要求的發(fā)展，也必然使得新型的材料被研究開發(fā)，例如二維材料家族中的新成員MXene已近逐漸地活躍于各類研究領(lǐng)域之中，為新材料的設(shè)計(jì)帶來了更多更新的可能。