随着柔性电子器件及高密度集成电路的快速发展，电子设备产生的电磁辐射已成为继噪声、水污染后的新型环境干扰源，易引发周边设备性能退化甚至功能失效。为应对电磁污染问题，开发兼具高屏蔽效能与柔韧特性的电磁干扰（EMI）屏蔽材料至关重要。然而，传统导电复合材料因阻抗失配导致电磁波强反射，虽能实现屏蔽效果却产生二次污染；同时，现有材料难以在维持高导电率的前提下优化阻抗匹配以增强电磁波吸收效能。研究表明，基于多孔结构、导电网络与极性基团协同作用的聚合物水凝胶，可通过多重反射、导电损耗及极化损耗机制衰减电磁波，为开发吸收主导型EMI屏蔽材料提供新思路。
近日，西北工业大学刘旭庆教授和英国曼彻斯特大学陈黎明博士团队在《Nano-Micro Letters》上，发表了最新研究成果“Aramid Nanofiber/MXene-Reinforced Polyelectrolyte Hydrogels for Absorption-Dominated Electromagnetic Interference Shielding and Wearable Sensing”。研究者利用聚电解质2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸（AMPS）与壳聚糖（CS）的独特特性以及芳纶纳米纤维（ANF）和二维材料MXene间的导电性差异，构建了ANF/MXene增强聚电解质水凝胶，该复合水凝胶展现出出色的EMI屏蔽效果、良好的力学性能、优异的粘附性、可靠的人体运动信号监测能力等特性。这一创新性设计借助聚电解质分子链中亲水极性基团的水合作用生成具有高迁移自由度的中间水（IW），在提升水凝胶离子电导率的同时促进水分子在电磁场作用下的极化弛豫与分子重排，从而实现以吸收作用为主导的EMI屏蔽性能。
图1：ANF/MXene增强聚电解质水凝胶的制备过程和设计策略。
如图1所示，聚电解质链上的-SO3H、-NH2等极性基团通过水合作用形成结合水（BW），其与自由水（FW）间通过氢键重构形成高迁移IW。这种独特的IW结构可促进电磁场诱导的水分子极化弛豫与分子重排，同时聚电解质提供的离子传导路径显著提升体系导电性。实验证实，该水凝胶通过静电吸引、氢键等非共价作用实现与人体皮肤的高效粘附；其内部形成的三维导电网络与活化水分子协同作用，展现出吸收主导型EMI屏蔽特性与可穿戴传感功能集成潜力。
图2：复合聚电解质水凝胶的基础表征。
如图2所示，SEM、流变等测试结果表明，经ANF与MXene协同增强的聚电解质水凝胶具有更规整的孔隙结构，引入的填料可同时提升储能模量与损耗模量。采用DSC测试验证复合水凝胶中活化水与本体水的差异，本体水形成的冰晶在约0°C时吸热熔融，而A5M1.5PC水凝胶在-19.81°C处出现的宽吸收峰归因于高含水量下IW与FW峰的合并。值得注意的是，水凝胶链中极性基团与水分子间定向氢键的强相互作用，限制了冷却过程中水分子的运动，导致曲线中未能检测出BW。此外，富含IW的复合水凝胶可降低沸点。
通过Raman光谱进一步定性分析IW与FW，A5M1.5PC水凝胶在O-H伸缩振动区的谱线根据氢键强度解卷积为四个子峰：3226 cm-1与3343 cm-1处的峰归属于具有两个质子与两对电子参与氢键形成的FW分子；3468 cm-1与3608 cm-1处的峰则对应于与邻近水分子呈弱氢键或无氢键结合的IW分子。由此表明，通过聚电解质活化水分子是一种有效策略，可减少电磁场极化弛豫引发的水分子形变与位移阻力。
图3：复合聚电解质水凝胶的力学性能。
作者通过系统的力学测试揭示了ANF/MXene协同增强机制（图3）。研究结果表明，ANF/MXene增强的复合水凝胶具有优异的力学强度和断裂伸长率。其中，ANF对力学强度的提升效果更为显著，适量MXene则有助于形成均匀的复合网络结构。基于亲/疏水性差异，A5M1.5PC水凝胶内部形成富水基体相与疏水ANF富集相；亲水MXene通过氢键以及氢键与静电作用分别与ANF及水凝胶基体形成稳固连接，起到应力传递桥梁作用，将基体应力充分转移至ANF增强相，从而优化整体力学性能。此外，搭接-剪切测试结果证明该复合水凝胶具有强粘附性，可实现其与人体的无缝集成，以确保生理信号的高保真采集。
图4：复合聚电解质水凝胶在X波段的EMI屏蔽性能。
作者研究了厚度、填料、拉伸作用及水分子状态对复合水凝胶在X波段EMI屏蔽性能的影响（图4）。复合水凝胶的总屏蔽效能（EMI SET）与吸收效能（SEA）均随厚度增加而大幅提升，但平均反射效能（SER）变化较小。填料组成对屏蔽性能影响显著：无填料A0M0PC屏蔽效能最低；单一填料体系中MXene因构建连续导电网络产生主导性导电损耗，其屏蔽效能提升优于ANF；双填料A5M1.5PC因MXene与ANF间巨大电导率差异促进多重内反射与界面极化损耗，屏蔽效能最高。施加拉伸作用时，屏蔽效能随拉伸率增加而下降，这归因于厚度减薄与MXene导电网络断裂。值得注意的是，中心区域厚度变化随拉伸应变增加而趋缓，导致拉伸率从0%增至50%时效能降幅大于50%至100%阶段。为阐明水分子在EMI屏蔽中的特定作用，对干燥态与冷冻态复合水凝胶进行对比测试。干燥处理使屏蔽效能骤降，且厚度影响减弱，证实水分子是复合水凝胶优异屏蔽性能的关键因素。超低温（-80°C）冻结使IW与FW结晶化，限制其极化弛豫与随电磁场响应的位移，导致冷冻态屏蔽效能显著下降。上述结果表明，具有弱分子间作用力的活化水更利于电磁波衰减。聚电解质链通过削弱水分子间氢键强度，优化电磁屏蔽性能的核心机制得以验证。
图5：复合聚电解质水凝胶在THz波段的EMI屏蔽性能。
如图5所示，复合水凝胶在THz波段展现出卓越屏蔽性能。THz-TDS测试表明，在0.2-3 THz范围内，最大EMI SET约110 dB，吸收率高达90%~99%。与X波段不同，THz屏蔽效能主要由水凝胶基体主导。干燥态复合水凝胶的THz测试显示，其仍能显著消耗入射波，但在低频THz范围屏蔽效能较弱。多孔结构使其在无水条件下仍可有效耗散高频短波长THz波，本质原因在于水分子中永久偶极子无法响应高频电磁场变化。综合分析，水分子在X波段及THz低频区展现出更优异的电磁波衰减能力。
图6：复合水凝胶的EMI屏蔽机理图。
作者对复合水凝胶的EMI屏蔽机制进行了系统总结与图示解析，其作用机制包含多级协同过程（图6）。
图7：复合水凝胶的应变传感性能。
复合水凝胶展现出卓越的传感性能，可作为高灵敏度应变传感器用于实时运动监测（图7）。
论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-025-01791-4
人物简介：
刘旭庆，西北工业大学教授，博导，国家级领军人才，陕西省科技创新团队带头人。英国高等教育学会会士，英国皇家化学会会士，英国纺织学会会士，中国科协先进材料学会联合体青工委副主任和秘书长，中国复合材料学会纺织复合材料结构分会常务理事，电科33所电磁防护材料与器件山西省实验室学委会委员。现从事高性能纤维和纤维增强润滑材料研究工作，实现了复合材料结构功能一体化的设计，解决了航空航天润滑和密封材料轻量化和高性能电磁屏蔽防护轻量化等问题，主持或参与国家973、863、2030重大、国家重点研发计划、国家基金委面上项目、英国EPSRC、欧盟地平线项目等，担任Energy & Environmental Materials、《表面技术》、Advanced Fiber Materials，Scientific Reports, Journal of Composites Science ，《纺织科学研究》等杂志副主编或编委。
