电磁双梯度MXene@Ni/芳纶纳米纤维膜：实现低反射电磁干扰屏蔽的创新材料

本文创新性地设计并制备了具有电磁双梯度结构的MXene@Ni/ANF复合薄膜，通过精确调控MXene与Ni的负载比例和层层过滤工艺，实现了优异的阻抗匹配和电磁波耗散。该材料展现出卓越的电磁干扰屏蔽效能（EMI SE达37.6 dB）和低反射特性（反射系数仅0.72），为解决高性能电磁屏蔽材料中的二次电磁污染问题提供了有效策略。

　　

Highlight

电磁双梯度MXene@Ni/芳纶纳米纤维膜实现低反射电磁干扰屏蔽

Introduction

随着便携式和可穿戴智能电子设备的快速发展，电磁辐射已达到前所未有的水平，推动了对新型高性能电磁干扰（EMI）屏蔽材料的迫切需求[1-5]。由于高导电性通过诱导强电磁波反射直接增强电磁屏蔽效能（EMI SE）[6-10]，最大化导电性已成为实现高性能屏蔽材料的主要策略。二维过渡金属碳化物（MXene）已成为有前景的屏蔽材料[11-15]，在不同结构（包括泡沫、纺织品和薄膜）中展现出卓越的导电性，从而实现出色的EMI SE（>60 dB）[16-19]。尽管这些导电屏蔽材料具有令人印象深刻的EMI SE值，但它们表现出>90%的电磁波反射，产生二次辐射，降低敏感电子设备中的信号完整性[20-22]。开发具有最小电磁波反射的高效EMI屏蔽材料仍然是紧迫的研究重点。

根据Schelkunoff传输理论，具有高磁导率的EMI屏蔽材料在与微波相互作用时促进强自然共振和涡流损耗[23]。这种机制能够实现卓越的电磁波吸收，同时显著减少二次辐射效应。例如，Wang等人[24]使用Ti₃C₂T_x MXene作为基质制备了核壳结构的Fe₃O₄@聚苯胺（PANI）复合材料。通过真空辅助过滤，他们构建了具有三明治插层结构的柔性轻质Ti₃C₂T_x/Fe₃O₄@PANI复合薄膜。值得注意的是，该薄膜在16.7 μm的最小厚度下实现了62 dB的EMI SE。这一出色性能源于Fe₃O₄@PANI的加入，它不仅平衡了MXene的阻抗匹配，还增强了磁损耗能力。然而，结合导电和磁性组分的均质薄膜由于介电和磁性特性的冲突，在空气-材料界面面临固有的阻抗匹配挑战[25]。

目前，结构设计已成为优化复合薄膜阻抗匹配的有效策略。工程化的不对称填料网络，结合双电和磁功能梯度，通过多次吸收-反射循环显著延长了入射微波的传播路径[26-28]。这种独特的结构使复合材料能够实现卓越的电磁波衰减，其特征在于在宽频率范围内同时具有低反射系数。Ma等人[29]通过层层真空过滤方法成功制备了具有双梯度结构的CNF/MXene/FeCo复合薄膜。通过精确调整过渡层中MXene与FeCo的组分比例，研究人员实现了精心设计的梯度结构配置，这不仅显著改善了复合薄膜与空气之间的阻抗匹配，还有效整合了多种损耗机制（包括介电损耗、磁损耗和多次反射损耗）。这种精心设计的梯度结构促进了电磁波在复合薄膜内的“吸收-反射-再吸收”多级耗散过程。令人印象深刻的是，所制备的CNF/MXene/FeCo-G复合薄膜表现出出色的电磁干扰屏蔽性能，具有58.0 dB的卓越EMI SE和0.61的低反射系数（R），展示了以吸收为主导的屏蔽特性。在非均匀屏蔽网络中引入梯度过渡层和反射层已被证明可有效实现高EMI SE和低反射[30-32]。然而，这些精确设计的非对称结构的可重复制造继续呈现重大的材料工程挑战，特别是在控制功能层之间的界面相互作用方面。

芳纶纳米纤维（ANFs）通过在KOH/DMSO中去质子化PPTA合成，保留了Kevlar出色的机械和热性能，同时引入了纳米级优势，如高纵横比和大比表面积[33-35]。此外，ANFs表面的极性基团（C=O，N-H）促进了强大的界面相互作用，从而增强了复合材料的整体性能[36,37]。在本研究中，通过“静电吸附-溶剂热还原”方法在MXene表面上原位生长海胆状磁性Ni纳米粒子，制备了磁性MXene@Ni杂化材料。随后，基于可行的层层组装策略，使用真空辅助过滤制备了具有正电导率梯度和负磁梯度的多层MXene@Ni/ANF复合薄膜。精心设计的层状梯度结构，结合通过控制每个MXene@Ni/ANF层中MXene与Ni的质量比精确可调的电磁特性，实现了最佳的阻抗匹配和屏蔽效率，从而使复合薄膜同时具有卓越的EMI屏蔽性能和显著的低反射特性。通过精确控制MXene@Ni中的电磁梯度，由三个MXene@Ni/ANF过渡层和一个MXene/ANF反射层组成的复合薄膜具有低反射系数（0.72），同时保持了良好的EMI SE值37.6 dB。

Section snippets

Materials

Ti₃C₂T_x MXene纳米片通过LiF/HCl系统蚀刻Ti₃AlC₂粉末（MAX，200目，11 Technology）获得，详细过程见我们之前的工作[38-40]，详细合成和表征见支持信息S1.1。六水合氯化镍（NiCl₂·6H₂O，AR）和水合肼（N₂H₄·H₂O）购自Macklin Biochemical Technology Co., Ltd.（中国）。乙二醇（EG）、二甲亚砜（DMSO）、氢氧化钾

Synthesis and structure of MXene@Ni hybrid

图1a展示了MXene@Ni杂化材料的制备。首先，使用最小强度层剥离方法制备了少层MXene纳米片[43]。剥离的MXene纳米片以其超薄形态和高透明度为特征，通过TEM检查显示平均横向尺寸约为1.5 μm（图S3）。此外，XRD光谱显示（002）面从MAX相的9.52°显著移动到MXene的6.19°（图S4a），

Conclusion

简而言之，通过层层真空过滤制备了具有可控电磁梯度的MXene@Ni/ANF复合薄膜，实现了同时低反射和卓越的EMI屏蔽性能。MXene@Ni/ANF吸收层提供了优异的阻抗匹配和电磁波吸收损耗，而高导电的MXene/ANF反射层确保了组装复合薄膜中出色的EMI屏蔽效率。显著的是，异质结构