Research| 面向恶劣环境的多功能水凝胶：超低导电填料条件下实现宽频电磁屏蔽与红外隐身

研究背景

随着5G/6G通信和物联网等新一代工业技术的发展，电磁干扰和辐射污染日益严重，不仅影响设备性能和信息安全，更威胁人类健康。与此同时，航空航天和国防领域对电磁屏蔽材料提出了更高的综合性能要求，不仅需要在微波、太赫兹乃至红外波段实现超宽频带电磁调控，以满足多频谱隐身和信号防护需求，还必须兼具高拉伸性、优异的机械性能、环境稳定性及良好的应变传感能力，以适应多种复杂环境应用场景。

传统导电水凝胶虽因其可拉伸性被视为理想的柔性电磁屏蔽材料，但在低导电填料含量下难以同时实现高电磁屏蔽效能与优异的力学性能。增加填料虽能提升屏蔽效果，却往往以牺牲材料的延展性和韧性为代价，并显著提高成本。此外，现有研究大多集中于微波波段，对太赫兹和红外波段的宽带调控关注不足。水凝胶依赖水作为分散介质，其环境稳定性（如抗蒸发、耐低温、抗高温分解）以及在拉伸状态下屏蔽性能的保持能力，仍是实际应用中的巨大挑战。因此，开发一种在低填料含量下兼具宽频屏蔽、红外隐身、优异力学性能及环境稳定性的多功能水凝胶，成为该领域亟待突破的关键难题。

研究进展

本文设计并验证了MXene/(NH₄)₂SO₄协同处理策略，通过盐析处理（Hofmeister效应）与MXene导电网络的协同作用，构建了具有双网络结构的复合水凝胶。在填料含量极低（0.12 wt%） 的条件下，本文的NMSPC水凝胶的综合力学性能（强度、韧性、应变）提升约3倍，并且实现了包含X, Ku, Ka, THz频段的宽频高效电磁屏蔽（最高超60 dB）以及优异的红外隐身性能。为阐明MNSPC双网络水凝胶的电磁屏蔽机理，我们构建了一系列对照样品并测试了其在不同频段的电磁参数。结果表明，其优异的宽频电磁干扰屏蔽与红外隐身性能主要得益于MXene构建的连续导电网络提供了优异的电导率，主导了反射与欧姆损耗；(NH₄)₂SO₄引入的离子增强了离子极化与传导损耗；而水凝胶的多孔结构延长了电磁波传播路径，促进了多重内部反射与吸收。

此外，该水凝胶在千次反复拉伸、高应变拉伸、长期水蒸发、低温（-30°C）冻结、高温（150°C）加热乃至火焰短暂燃烧等多种严苛条件下，仍能保持高于商业级电磁屏蔽效能和有效的红外隐身功能。

总结展望

本研究提出了一种基于MXene和盐析协同调控的双网络构筑范式，在超低导电填料含量条件下，实现了柔性水凝胶体系中力学性能、宽频电磁干扰屏蔽与红外隐身性能的最佳平衡。该材料体系不仅适用于柔性可穿戴电子与软体机器人表皮的电磁防护，更在空天信息系统、复杂电磁环境下的隐身防护等应用方面展现出独特优势。未来研究一方面将结合可编程结构设计与外场响应单元以实现电磁屏蔽与红外隐身性能的动态可调与智能响应，为实现复杂电磁环境下集感知、防护与隐身于一体的高性能柔性电磁调控平台奠定基础。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1020