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具有仿生细胞结构的电磁屏蔽气凝胶由于质轻、力学性能优异、吸收为主，在航空航天和军工领域有广阔的应用前景。其电磁屏蔽机理主要由以下两个方面决定：（1）孔隙和细胞壁之间的多重反射和散射；（2）电磁波通过细胞壁的衰减和耗散。现有的报道大多聚焦在调节细胞壁材料的电磁性能，而细胞结构的形态参数对性能的影响还没有充分揭示。理论上，孔道尺寸与壁厚呈正相关，孔道尺寸越小，孔的数目越多，电磁波的传输路径就会增加，但于此同时，壁厚的降低又不利于电磁波的吸收。因此，研究孔道尺寸和壁厚的耦合作用对于电磁屏蔽材料的制备具有重要的指导意义，并有望基于此建立一种调节电磁屏蔽性能的新方法。
Figure 1. Schematic illustrating the fabrication of (a) MXene and (b) PVA/MXene composite aerogels by unidirectional freezing and freeze-drying.
本研究以聚乙烯醇（PVA）和Ti3C2TX（MXene）为原料，采用单向冰模板法制备了具有取向细胞结构的PVA/MXene气凝胶。通过调节冷冻温度来调节冰晶的尺寸，从而来控制孔道尺寸和壁厚，旨在揭示孔道尺寸和细胞壁厚度与气凝胶的力学性能和电磁屏蔽能力的关系。
Figure 2. SEM micrographs of the PVA/MXene composite aerogels in the T-direction (a1-d1)and V-direction (a2-d2): (a) P3M7(-40), (b) P3M7(-60),(c) P3M7(-76), (d) P3M7(-196). (e) Freezing temperature dependence of averagepore channel size and wall thickness of prepared P3M7 aerogels.
在此基础上，提出了相应的机理。结果表明，孔道尺寸和壁厚是正相关的，并且都随着冰晶尺寸减小（冷冻温度降低）而下降。以PVA/ MXene 质量比3/7（简称P3/M7）的气凝胶为主要研究对象。
Figure 3. Characterization of electrical conductivity and EMI SE performance of PVA/MXeneaerogels: (a) The electrical conductivity, (b) SET at 8.2-12.4 GHz and, (c) SET, SEA, and SER at 12.4 GHz of the P3M7 composite aerogels frozen at various temperatures; (d) The relationship between EMI SE and pore channel size and wall thickness; (e) The schematic diagram of EM wave propagation in PVA/MXene aerogels.
随着温度从-40 ℃降低到-196 ℃，孔道尺寸从45.4 μm降低到14.6 μm，壁厚从250 nm降低到46 nm压缩强度由71.5 kPa增加至127.3 kPa，电磁屏蔽性能由40.6 dB降低到30.4 dB。关于力学性能，孔道越大，越容易产生应力集中，且孔壁越厚，PVA和MXene堆积越松散，所以压缩强度越低。在电磁屏蔽方面，孔道产生的多次反射和散射会达到饱和，壁厚成了电磁屏蔽性能的决定性因素。壁厚越大，吸收越强，电磁屏蔽性能越好。最终，制备的P3M7(-40 OC)气凝胶在60%应变下具有71.5 kPa的高压缩强度，EMI SE为40.6 dB，而MXene含量仅为0.58 vol%。本工作不仅为调节电磁屏蔽性能提供了一种有趣的微结构设计策略，而且更深入地了解了孔结构在仿生细胞气凝胶性能中的作用。
Figure 4. Relationship between mechanical properties and EMI SE with temperature.
本工作以“Poly(vinyl alcohol)/MXene biomimetic aerogels with tunable mechanical properties and electromagnetic interference shielding performance controlled by pore structure”为题发表在Polymer上（DOI: 10.1016/j.polymer.2021.124101）。文章通讯作者为四川大学高分子科学与工程学院修昊博士。第一作者为硕士生郭真有。本工作得到了国家自然科学基金创新研究群体项目（51721091）和国家自然科学基金（51803130）的支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.polymer.2021.124101
来源：FQ课题组
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