银纳米线柔性透明电极的电气故障与保护策略

《Applied Materials Today》：Electrical failure and protection strategy of silver nanowire flexible transparent electrodes

本研究通过电纺和原位硫化制备了CoS?/C/MXene多维异质结构，有效结合了0D CoS?纳米颗粒的磁性损耗、2D MXene的介电损耗和1D碳纤维的导电网络，在3 wt%填充量下实现了-70.86 dB反射损耗和4.64 GHz有效吸收带宽，兼具轻质、宽频、高稳定性等特点。

　　
该研究聚焦于开发兼具轻量化、宽频带和强低频吸收性能的新型微波吸收材料。针对5G通信、物联网及军事雷达技术引发的电磁污染问题，传统吸收材料如铁氧体存在密度高（>4.0 g/cm3）、低频吸收弱（C波段反射损耗< -20 dB）、带宽窄（有效吸收带宽<2 GHz）等缺陷，亟需突破性解决方案。

研究团队创新性地构建了"0D-2D-1D"三维异质结构，通过电纺-原位硫化协同工艺制备出CoS?/C/MXene纳米纤维复合体系。该结构巧妙整合了三类功能单元：零维的CoS?磁性纳米颗粒（粒径约70 nm）提供磁损耗核心；二维MXene纳米片构建导电网络骨架并增强界面极化效应；一维碳纳米纤维作为基体材料兼具机械支撑和介电损耗功能。三者的协同作用产生显著性能提升。

在制备工艺方面，采用两步法实现精准组分调控。首先通过溶液调节法在聚丙烯腈（PAN）纤维表面均匀负载MXene纳米片，构建二维导电层。接着进行预氧化碳化处理，将MXene转化为导电石墨烯的同时形成富氧表面以稳定后续硫化产物。最后在氩气保护下通过H?S气体原位硫化，使Co3?前驱体转化为具有强磁损耗的CoS?纳米颗粒，实现磁性组分与导电网络的原子级结合。

实验数据显示，该复合材料在10.6 GHz频点达到-70.86 dB的最低反射损耗，有效吸收带宽扩展至4.64 GHz，且在3重量百分比填充量下即实现优异性能。这得益于三重协同机制：1）MXene表面富氧层与CoS?硫化物的界面电荷转移产生附加介电损耗；2）碳纤维网络形成连续导电通路，促进电磁波多次反射/吸收；3）CoS?独特的硫空位结构产生双极化效应，在磁场和电场作用下产生协同损耗。

材料性能优势体现在多个维度：密度仅为4.8 g/cm3，远低于传统铁氧体；热稳定性测试显示在800℃高温下结构保持完整；经过500次弯折测试后仍保持>95%的电磁性能；腐蚀测试表明其耐蚀性优于常规磁性材料。这些特性使其特别适用于可穿戴设备、柔性电子器件及军用隐身装备等需要轻量化、柔韧性和耐候性的场景。

DFT计算揭示了材料损耗的微观机理：CoS?晶格中的硫空位形成内置电场，与MXene的表面极化产生强耦合效应。界面处电荷密度达4.5×101? cm?2，远超常规复合材料的极化强度。这种电荷局域化状态在电磁波入射时引发剧烈的界面极化共振，产生额外的介电损耗。同时，导电碳纤维网络将磁损耗单元有效连接，形成磁场涡旋路径，使磁损耗效率提升至78.3%。

该工作突破传统复合材料设计理念，通过维度协同（0D-2D-1D）实现性能的乘积效应。具体创新点包括：1）首次将硫空位诱导的强磁损耗材料（CoS?）与导电MXene进行界面工程优化；2）开发"预氧化-碳化-硫化"三步联用工艺，确保各组分在纳米尺度精准分布；3）构建三维异质网络，使电磁波经历"反射-多次散射-吸收"的链式损耗过程。

应用前景方面，该材料可柔性集成到毫米波天线、雷达隐身涂层及柔性传感器中。相比传统铁氧体，其密度降低60%的同时吸收效率提升2.3倍，厚度压缩至1.2 mm（等效于4层传统材料）。在军事领域，该材料可制成超薄、可拉伸的雷达吸波隐身衣；在民用领域，可开发出具有电磁屏蔽功能的柔性可穿戴设备。制备工艺采用电纺技术，成本较传统溶胶-凝胶法降低40%，量产可行性高。

研究同时指出现有技术瓶颈：MXene易氧化导致性能退化；磁性纳米颗粒团聚影响均匀性；宽频吸收仍需突破3-5 GHz过渡带吸收瓶颈。后续研究建议：1）表面包覆石墨烯增强抗氧化性；2）引入介孔结构调控界面电荷分布；3）拓展到可见光波段探索多功能集成应用。

该成果为开发新一代智能电磁功能材料提供了重要范式，其"维度协同设计+界面工程优化"的策略对先进复合材料领域具有普适指导意义。通过构建多尺度异质结构，有效解决了传统复合材料中各组分分散不均、界面结合弱等问题，为宽频高效微波吸收材料的工程化应用开辟了新路径。