1.引言

目前，屏蔽材料以及吸波材料的主要是研究碎電磁波的衰減或吸收，以消除對電子元件，人體，環境產生的干擾或傷害。傳統的屏蔽材料和吸波材料有鐵氧體吸波劑，磁性微球吸波劑，碳基吸波劑等。為了達到“薄，輕，寬，強”的綜合要求，因此多波段，寬頻帶，質量輕的新型屏蔽/吸波材料被不斷設計研發。

電磁波吸收基本原理

電磁波吸收材料在電磁波消耗和吸收的過程中，主要通過將電磁波的能量吸收轉化為熱能以及其他能量進而達到能量損耗的目的。優良的電磁波吸收材料主要應該具有阻抗匹配特性和衰減特性。如吸波材料的工作示意圖所示，電磁波入射到吸波材料的表面時，在界面會發生投射和反射。阻抗匹配是指盡可能的將電磁波進入到材料的內部而減少在表面的反射系數，當電磁波進入到材料內部后隨即發生電磁波損耗，這稱之為衰減特性。根據傳輸線理論，當材料的復介電常數和復磁導率足夠大的時候，電磁波能夠充分被損耗。然而，相對介電常數和相對磁導率越低時，阻抗匹配越好，即表明良好的阻抗匹配和有效的特性衰減通常是不能夠同時達到。

吸波材料的工作示意圖

2.正文

（1）核殼結構的RGO/MXene空心球泡沫具有優異的吸波性能

近年來，MXene作為一種新型的二維納米碳/氮化物材料具有類石墨烯類的層狀結構，以及大的比表面積而使得其具有優異的電化學性能。層間距可調也使得其具有區別于其他的二維材料的顯著優勢，因此是一種非常有研究價值和研究潛力的電磁波吸收材料。目前，西北工業大學殷小瑋課題組利用MXene與RGO通過自組裝策略和犧牲模板法設計合成了具有核殼結構的RGO/MXene空心球形貌的異質結復合材料用于X波段的吸波性能評價。實驗結果表明，材料厚度為3.2mm，且密度僅為0.0033gcm-3時可以實現X波段全覆蓋的有效吸收，而其SMAP值可達到14299.2 dB cm-2 g-1 （SMAP = RL （dB）/Thickness （cm）/Density （g cm-3））。

文章中提出了吸波材料的復合模型：A相通常為具有低的介電常數的材料，不具備電磁損耗的能力，B相為具有高的介電常數材料，而作為吸波材料；而C相應該具有適中且可調節的介電常數，從而被引入優化復合材料的阻抗匹配性。其中，包括A/B/C和 A/B-core/C-shell模型的異質結結構能夠有效的提升電磁吸波性能，這是因為在C相與B相間豐富的異質結結構增加極化效應。文章提出了這一獨特的結構設計為實現高性能的電磁吸波材料具有重要的指導意義。

圖1 （a）  X波段，RL < -10 dB時 厚度（2, 3, 4, 4.5 mm）與復介電常數之間的動態關系；（b） 已報道的電磁吸收模型的示意圖；（c） Ti3C2TX 球以及RGO/Ti3C2TX 泡沫制備的示意圖。

（Ref. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1803938）

（2）噴墨打印自組裝MXene與蛋白質用于刺激響應電磁屏蔽

區別于傳統的化學合成制備方法，賓夕法尼亞大學的Melik C. Demirel組利用以魷魚環齒（squid ring teeth）為基底的串聯重復合成蛋白作為分子自組裝模板用于設計MXene墨水，進而作為電極而印刷在各種襯底上，如玻璃，纖維素紙，柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等。印刷在PET基底上的MXene電極的電導率可高達1080 ± 175 S cm-1，這大大的超過了石墨烯（250 S cm-1）以及還原石墨烯（340 S cm-1）等其他二維材料組成的最先進的噴墨打印電極的電導率。這種柔性的電極表現出優異的電磁屏蔽性能，在1.35 μm 厚度下EMI SE值達到可達50dB，這主要歸功于材料高的電導率以及層狀的結構。這類圖案電極具有顯著的電屏蔽以及電磁屏蔽性能，可以對濕度變化做出反應，從而擴大了這些二維油墨的應用范圍。

圖2（a） MXene 結構示意圖；（b） 蛋白質氨基酸序列的重復和串聯重復過程示意圖；（c） 蛋白介導的MXene片材在噴墨打印過程中的組裝示意圖；（d） 原始的以及蛋白質基的MXene/DMSO分散于不同蛋白質濃度的圖像；（e） 從噴墨打印機的頻閃照相機上獲得的各種油墨配方的微滴噴射序列的圖像（比例代表250µm）。

（Ref. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1801972）

（3）具有自清潔，絕熱的多功能有機-無機氣凝膠作為高性能微波吸波材料

多功能化是微波吸波材料未來必然的發展方向，因此于榮海課題組近期報道了一種多功能的氣凝膠微波吸波材料。聚丙烯腈纖維和聚苯并惡嗪膜分別 作為骨架和交聯劑，進一步通過冷凍干燥形成由碳納米管互相連接的三維骨架結構，而Fe3O4 納米粒子均勻的分散在氣凝膠中。制備得到氣凝膠具有超輕，超薄，高強度的優勢，可達到最小的RL值為-59.58dB.此外，由于氣凝膠具有較強的吸水性以及良好的隔熱性能而使得其具有了自清潔，紅外隱身以及可以與商業化隔熱材料相媲美的性能和優勢。這種材料具有多功能的優勢是歸因于纖維素結構，多維納米材料的自組裝，材料中有機與無機部分之間的協同作用。這種新型的合成策略將為后續開發其他多功能的微波吸波材料，電磁波吸波材料等奠定了基礎。

圖3 有機-無機混合氣凝膠的合成示意圖

（Ref. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1807624）

（4）具有疏水性的修飾MXene的滌綸織物具有優異的電磁屏蔽性能

隨著多功能可穿戴只能電子織物逐漸成為新的研究熱點，如何平衡共有性能與新功能依舊是一個挑戰。目前，張好斌課題組設計制備一種具有優異電磁干擾屏蔽效率和優異的焦耳熱性能的高導電性，疏水性的新型織物材料。原位聚合吡咯（ppy）改性的MXene納米片沉積在聚對苯二甲酸乙酯織物上，隨后涂敷硅樹脂涂層。實驗結果表明，這種具有多功能的織物具有高的電導率約1000 S m?1,在1.3 mm的厚度下的電磁干擾屏蔽效率高達~90dB.涂敷薄的有機硅涂層使得具有親水性的ppy/MXene修飾的織物具有了疏水性，因此這使得在保持紡織品具有原有良好透氣性的同時還具有防水的功能。此外，這一多功能的紡織品同時也表現出了良好的 中等電壓驅動焦耳加熱功能。這一獨特的改性設計在新型的可穿戴智能服裝以及電磁干擾屏蔽，還有個體加熱等應該方面具有更為巨大的應用前景。

圖4（a） 原位聚合聚吡咯改性MXene示意圖；（b） 聚吡咯/甲基丙烯酸甲酯裝飾PET紡織品及多功能硅涂層m-紡織品的制備示意圖。

（Ref. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1806819）

（5） 機械可調的各向異性MXene氣凝膠應用于電磁波屏蔽

質量輕的柔性材料是理想的電磁屏蔽材料用于保護智能電子設備免受電磁污染。目前，殷小瑋課題組報道了MXene膠體溶液利用雙向冷凍鑄造的方法制備得到定向組裝為長程有序的三維多孔氣凝膠結構。性能評價結果表明： MXene氣凝膠的電阻在50%應變下經過20次壓縮循環后任然能保持穩定。Ti3C2Tx, Ti2CTx, 以及Ti3CNTx 氣凝膠在具有近似密度（~11.0 mg cm-3）的EMI SE值分別達到了70.5， 69.2， 54.1 dB。這種層疊結構和內部蜂窩狀結構的MXene氣凝膠有石墨烯基海綿結構類似的優點，即良好的壓縮性能，低的比重，高的導電性，良好的電磁屏蔽性能。如機理圖所示，入射電磁波除去在材料表面部分的反射，大部分進入到由垂直和水平取向的MXene構建為蜂窩狀結構經歷多重反射/散射而被損耗。MXene氣凝膠具有大孔結構能夠與自由空間的阻抗匹配性更強，表面豐富的自然缺陷提供了更多的極化中心，在交替的電磁場中提供極化損耗，因此具有高的吸收率。此外，由具有良好導電性的卷曲狀MXene片構建的長程有序的MXene片狀結構對時變電磁感應電流能夠提供介電損耗的同時轉化為熱能。

圖5 （a） 雙向冷凍凝結鑄造機理示意圖；（b） 由不同種類的MXene納米片組裝而成的板層之間相互僑聯的MXene氣凝膠示意圖，其中Tx 代表表面的一些基團（–OH, –O, –F）。

 （Ref. Adv. Optical Mater. 2019, 1900267）

（6）碳布修飾ZnO垂直陣列用于定向偏振調諧寬頻帶的吸收

圖6 CC@ZnO的合成路線示意圖

近期，復旦大學車仁超課題組報道了一種新型的具有良好電磁耦合性能的極化碳基介質復合材料的設計方法?；谠欢ㄏ蛏L的方法，在柔性導電碳布基底上垂直生長高度均勻的極性氧化鋅陣列CC@ZnO。實驗結果表明，負離子調控是影響形成單棒，團簇和四足ZnO排列的關鍵因素。碳基-ZnO作為一種典型的介電損耗的復合材料，在CC@ZnO體系中的電磁參數以及ZnO納米棒中的電荷密度分布取決于作為電子傳輸通道的三維碳布結構。此外，由于具有豐富缺陷的ZnO陣列與碳布基底接觸良好，因而有利于界面極化，多重散射以及良好的阻抗匹配。性能評價結果表明，CC@ZnO的有效吸收頻帶寬度可高達10.6GHz, 能夠覆蓋整個X波段以及Ku波段。取向性的氧化鋅具有氧空位以及暴露于大量本征極性表面，激發了微波頻率下的極化行為。優化后的CC@ZnO復合材料具有電子傳輸快，微波能量耗散快，寬頻率吸收等優點。綜上，復合材料具有良好的柔韌性以及調諧和寬吸收的吸波性能。

（7）碳納米結構在高頻電磁波吸收的應用

碳納米結構以其獨特的結構和性能與其他吸波材料相比而引人注目。石墨烯，碳納米管，而其他特殊的碳納米結構在高頻范圍內作為電磁波吸收材料已變得尤為重要?；谔技{米結構和其他損耗材料的各種納米復合材料可以作為高性能的吸波材料進行改性。近期在Adv.Sci上發表的一篇關于碳材料在作為電磁吸吸收材料在高頻的應用做了詳細論述。文中介紹了碳納米結構的電磁波吸收理論，綜述了碳納米結構高頻電磁波吸收的研究進展。同時介紹了碳納米結構在高頻電磁波吸收方面的研究進展、面臨的挑戰和前景。這篇綜述對后續碳材料的制備合成，結構設計具有重要的指導意義。

（Ref. Adv. Sci. 2019, 1801057）

3.全文小結以及展望

梳理近期最新設計制備的屏蔽/吸波材料可以發現，新型的屏蔽/吸波材料正在擴寬傳除去統單一的強特性衰減的要求而逐漸趨于多功能化，實現可穿戴化的多元角度的設計與應用。這種多元應用的設計思路與新的策略順應了時代對新型材料要求的發展，也必然使得新型的材料被研究開發，例如二維材料家族中的新成員MXene已近逐漸地活躍于各類研究領域之中，為新材料的設計帶來了更多更新的可能。