浸渍镓的碳纤维/EVA多层复合材料具备传感、自修复和电磁衰减功能

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Gallium-infused carbon fiber/EVA multilayer composites with sensing, self-healing, and electromagnetic attenuation capabilities

本研究开发了一种液态金属（Ga）增强的连续碳纤维复合材料膜（EVA/Ga@CF），具有高强度（2.1 GPa）、电刺激自修复能力及优异X波段电磁屏蔽效能（35 dB），为柔性电子和仿生外骨骼提供新策略。

　　近年来，随着柔性电子技术、可穿戴设备和电磁干扰（EMI）屏蔽技术的快速发展，对兼具高强度、优异柔韧性和多功能响应的新型复合材料的需求日益增加。在众多候选材料中，碳纤维因其出色的比强度、导电性和热稳定性，被广泛应用于结构增强和导电复合体系中。与此同时，液态金属，尤其是镓（Ga）及其合金，因其独特的物理化学性质，如高导电性、流动性、可变形性和热稳定性，逐渐成为柔性电子和自修复电路等新兴领域的研究热点。本研究提出了一种创新的复合材料设计理念，即通过构建稳定的液态金属导电网络，将液态金属与连续碳纤维织物结合，开发出一种具有多重功能的柔性复合膜，命名为 **EVA/Ga@CF**。该材料不仅在机械性能上表现出色，还具备自修复能力和高效的电磁屏蔽性能，展现出在高性能柔性电子和机器人外骨骼系统中的巨大应用潜力。

### 一、研究背景与意义

在现代电子工程中，柔性材料的应用范围不断扩大，尤其是在可穿戴设备、智能服装和软体机器人等领域。然而，传统的柔性材料往往在机械强度和功能性之间难以达到平衡。例如，虽然某些聚合物基材料具有良好的柔韧性，但其机械强度较低，难以满足结构强度的要求。另一方面，某些高强度材料如碳纤维增强复合材料（CFRP）虽然具备优良的机械性能，但其导电性和柔韧性较差，限制了其在柔性电子中的应用。因此，开发一种既能保持高强度，又具备优良导电性和自修复能力的新型复合材料成为当前研究的重要方向。

液态金属，尤其是液态镓，因其独特的物理化学性质，被认为是实现多功能柔性电子材料的关键材料之一。液态镓能够在机械变形下保持良好的导电性，同时具备自修复能力，这使其在可拉伸电路、自修复传感器和智能响应材料中具有广阔的应用前景。然而，目前大多数研究将液态金属与弹性体或粉末状功能填料结合，这些材料在柔性和导电性之间取得了一定的平衡，但缺乏连续的、承载力强的结构支撑。因此，如何将液态金属有效地引入连续碳纤维织物中，形成稳定的导电网络，同时保持其优异的机械性能和自修复能力，是当前研究的难点之一。

本研究提出了一种新的策略，即通过在连续碳纤维织物表面构建稳定的液态金属导电网络，实现液态金属与碳纤维框架的协同工程。这种复合材料不仅在机械性能上得到了显著提升，还具备自修复能力和高效的电磁屏蔽性能，为未来柔性电子和智能结构材料的发展提供了新的思路。

### 二、材料与制备方法

本研究采用了一种多层柔性复合膜（**EVA/Ga@CF**）作为研究对象，其制备过程主要包括以下几个步骤：

1. **材料选择**：使用12K碳纤维织物作为基材，其厚度为0.28 mm，面密度为200 g/m2。EVA基热熔胶网状膜（38 g/m2）作为粘结层，液态镓（纯度为99.9%）作为导电填充物，同时使用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作为表面改性剂。

2. **表面改性**：碳纤维织物首先经过CTAB溶液处理，以促进液态金属在纤维表面的均匀附着和稳定集成。该过程通过静电吸附和分子间作用力，使液态金属能够牢固地结合在碳纤维表面，形成连续的导电网络。

3. **液态金属涂层**：改性后的碳纤维织物被浸入液态镓中，缓慢拉出以确保液态金属均匀覆盖在纤维两侧。随后，样品被置于冷冻干燥机中进行干燥处理，以稳定液态金属层并防止其在后续加工过程中发生泄漏。

4. **复合膜构建**：在液态金属稳定后，将Ga涂层的碳纤维织物夹在四层EVA非织造膜之间，形成一个完整的复合结构。最后，通过热压成型（在100°C和真空条件下，施加100 N压力，持续15分钟）将各层材料紧密结合，形成最终的**EVA/Ga@CF**复合膜。

5. **自修复处理**：为了防止液态金属在切割后发生泄漏，样品的边缘被涂覆一层硝化纤维素与丁基醋酸酯的混合溶液，形成一层致密的保护层，有效阻止了液态金属的扩散。

### 三、性能测试与分析

#### 3.1 机械性能测试

为了评估**EVA/Ga@CF**的机械性能，进行了拉伸测试。测试结果表明，该复合膜的拉伸强度达到了2.1 GPa，弹性模量为12.6 GPa，远高于未添加液态金属的对照样品（**EVA/CFRP**）。这一显著提升的机械性能主要归因于液态金属在碳纤维表面形成的连续导电网络，不仅增强了纤维之间的连接，还提高了整体结构的承载能力。

在拉伸过程中，**EVA/Ga@CF**表现出独特的两阶段应力-应变响应。在初始阶段，应力随应变缓慢增加，这主要归因于液态金属在纤维表面的变形。而在第二阶段，随着应变的进一步增加，碳纤维骨架开始承担主要的载荷，表现出较高的刚度和强度。这一现象表明，液态金属不仅提高了复合材料的导电性，还增强了其结构的稳定性。

#### 3.2 自修复性能测试

为了验证**EVA/Ga@CF**的自修复能力，进行了划痕实验。实验中，将样品划伤后，通过施加3 V的恒定电压进行电刺激，观察其表面的水接触角变化。结果显示，划伤区域的水接触角在120秒内恢复至原始值，表明液态金属能够在电刺激下实现自修复。

这一自修复行为的机理可以通过Wenzel湿润模型进行解释。当划痕破坏了表面结构时，水滴会通过毛细作用渗透到损伤区域，导致接触角降低。然而，由于液态金属在纤维表面形成了连续的导电网络，水滴无法直接接触到碳纤维，从而阻止了进一步的渗透。在电刺激下，液态金属能够重新流动并填充损伤区域，使接触角逐渐恢复，最终达到原始状态。

#### 3.3 电磁屏蔽性能测试

电磁屏蔽性能是评估柔性电子材料的重要指标之一。在本研究中，**EVA/Ga@CF**在X波段（8.2–12.4 GHz）范围内表现出优异的电磁屏蔽效果，其总屏蔽效率（SE-T）稳定在约35 dB，屏蔽效率高达99.99%。相比之下，**EVA/CFRP**虽然也具有一定的屏蔽能力，但其屏蔽效率较低，且在低频区域表现不如**EVA/Ga@CF**。

进一步分析表明，**EVA/Ga@CF**的屏蔽性能主要依赖于其高导电性，以及液态金属在纤维表面形成的连续导电网络。该导电网络不仅提高了材料的导电能力，还增强了电磁波的反射和吸收效果。在电磁参数分析中，**EVA/Ga@CF**表现出较高的介电常数（ε′和ε″），特别是在低频区域，显示出更强的极化能力和能量损耗特性。这些特性使得**EVA/Ga@CF**在宽频范围内能够有效吸收电磁波，从而实现高效的电磁屏蔽。

#### 3.4 阻抗匹配与反射损耗分析

为了进一步理解**EVA/Ga@CF**的电磁行为，研究了其阻抗匹配（IM）和反射损耗（RL）特性。实验结果显示，**EVA/Ga@CF**和**EVA/CFRP**在不同厚度下的阻抗匹配值均较低且稳定，通常低于0.1，表明两者在电磁波传输过程中均表现出良好的阻抗匹配能力。

然而，反射损耗的分析揭示了两者之间的显著差异。**EVA/CFRP**的反射损耗值较高，表明其对电磁波的反射较强，而吸收能力较弱。相比之下，**EVA/Ga@CF**的反射损耗值显著降低，部分频率区域甚至低于?1 dB，表明其具有更强的电磁波吸收能力。这一现象可能与液态金属在纤维表面形成的导电网络有关，该网络能够引入局部的电磁反馈现象，从而增强材料的吸收能力。

此外，**EVA/Ga@CF**在某些频率下表现出微弱的正反射损耗，这可能是由于液态金属网络引起的阻抗不匹配和相位不连续。这种现象表明，液态金属不仅能够增强材料的导电性，还能够通过改变电磁波的传播路径，实现对特定频率范围的优化屏蔽效果。

### 四、研究结果与讨论

#### 4.1 材料结构与性能的关联性

从材料结构的角度来看，**EVA/Ga@CF**的性能提升主要源于液态金属在碳纤维表面形成的连续导电网络。这种导电网络不仅提高了材料的导电性，还增强了其机械强度和自修复能力。通过扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，可以观察到液态金属在碳纤维表面的均匀分布，以及其对EVA基体的稳定集成。这些结果表明，液态金属与碳纤维之间的界面相互作用是实现高性能复合材料的关键。

在热重分析（TGA）中，**EVA/Ga@CF**的热稳定性优于**EVA/CFRP**和纯EVA材料。这表明，液态金属的引入不仅提高了材料的机械性能，还增强了其热稳定性。此外，**EVA/Ga@CF**的热分解残留率约为59.617%，而**EVA/CFRP**为58.527%，这一微小的差异可能与液态金属的加入量有关，进一步验证了其对材料性能的优化作用。

#### 4.2 电磁屏蔽机制的探讨

电磁屏蔽机制主要分为反射、吸收和传输三种类型。**EVA/Ga@CF**在X波段范围内表现出较高的总屏蔽效率，这主要得益于其高导电性。液态金属在碳纤维表面形成的连续导电网络，能够有效增强电磁波的反射能力，同时通过增强材料的介电极化能力，提高电磁波的吸收效率。

从电磁参数分析来看，**EVA/Ga@CF**的介电常数（ε′和ε″）显著高于**EVA/CFRP**，特别是在低频区域。这一现象表明，液态金属能够通过增强材料的极化能力，提高其对电磁波的吸收效率。此外，**EVA/Ga@CF**的磁导率（μ′和μ″）表现出负值，且随频率增加而变化。这种异常的磁导率行为可能与液态金属在微观结构中的局部感应效应或磁等离子体现象有关，虽然不直接贡献于磁损耗，但可能影响阻抗匹配和吸收行为。

#### 4.3 阻抗匹配与反射损耗的对比分析

阻抗匹配是影响电磁波传播和屏蔽效果的重要因素。实验结果显示，**EVA/Ga@CF**和**EVA/CFRP**在不同厚度下的阻抗匹配值均较低且稳定，通常低于0.1，表明两者在电磁波传输过程中均表现出良好的阻抗匹配能力。然而，**EVA/Ga@CF**在反射损耗方面的表现更为优异，部分频率区域甚至低于?1 dB，显示出更强的电磁波吸收能力。

这种差异可能与液态金属在碳纤维表面形成的导电网络有关。该网络能够引入局部的电磁反馈现象，从而增强材料的吸收能力。此外，液态金属的高导电性也使得**EVA/Ga@CF**在高频区域表现出更强的反射能力，这可能与其表面结构的改变有关。

### 五、结论与展望

本研究成功开发了一种新型的多层柔性复合膜（**EVA/Ga@CF**），通过构建稳定的液态金属导电网络，实现了材料在机械性能、自修复能力和电磁屏蔽性能上的显著提升。实验结果表明，**EVA/Ga@CF**的拉伸强度达到2.1 GPa，弹性模量为12.6 GPa，显示出良好的机械性能。同时，其自修复能力表现出色，划伤区域的水接触角在120秒内恢复至原始值，进一步验证了液态金属在自修复过程中的重要作用。

在电磁屏蔽方面，**EVA/Ga@CF**在X波段范围内表现出优异的屏蔽效果，总屏蔽效率稳定在约35 dB，屏蔽效率高达99.99%。这种性能的提升主要得益于液态金属在碳纤维表面形成的连续导电网络，以及其对介电极化和能量耗散能力的增强。此外，**EVA/Ga@CF**在某些频率下表现出微弱的正反射损耗，这可能是由于液态金属引起的阻抗不匹配和相位不连续。

尽管本研究主要集中在常温条件下的性能测试，但未来的工作将进一步评估材料在不同环境条件下的稳定性，包括温度、湿度变化以及长期循环测试。这些研究将有助于进一步优化材料的性能，拓宽其在柔性电子和智能结构系统中的应用范围。

### 六、作者贡献说明

本研究的作者团队由多位研究人员组成，各自在不同环节做出了重要贡献：

- **贾金峰**：负责原始论文的撰写、验证和数据整理。
- **刘金川**：参与了实验设计和研究方法的制定。
- **翁航胜**：负责软件开发和实验方法的优化。
- **刘水燕**：在项目指导、资源协调和概念设计方面提供了关键支持。
- **朱德志**：参与了实验数据的验证和项目管理。
- **杨国安**：负责实验数据的可视化和软件分析。
- **刘健**：参与了论文的审阅和修改，提供了软件支持。
- **周丽**：负责实验数据的验证、项目指导和资金获取。
- **屈慕超**：在论文的撰写、实验设计、方法优化和项目概念设计方面发挥了重要作用。

通过团队的共同努力，本研究成功实现了液态金属与碳纤维框架的协同工程，为开发高性能、多功能的柔性电子材料提供了新的思路和方法。