无线设备的“安全密匙”:可拉伸二维MXene纳米涂层

无线设备的“安全密匙”:可拉伸二维MXene纳米涂层【文章导读】

    物联网(IoT)新兴应用的崛起可以促进人体可穿戴器件和移动电子设备之间的无线通信,然而,当前许多的无线设备在人体周围传播的时候,会引起电磁干扰以及安全方面的担忧。为了解决上述问题,则需要开发具有屏蔽电磁干扰(EMI)的柔性材料。将无线设备与电磁屏蔽系统集成,不仅可以提供对电磁场的保护,还可以防止可穿戴电子器件和移动设备之间未经授权的无线传输,从而增强无线私密性。

    二维Ti3C2Tx碳化钛(MXene)材料的出现,有望解决可拉伸电磁屏蔽和可穿戴无线设备之间集成的相关问题。柔性超薄的MXene薄膜或复合材料具有高导电性,因而表现出高效的电磁屏蔽性能,可与金属材料相媲美。然而,平面MXene薄膜的杨氏模量较高(0.33±0.03 TPa),使其在温和应变下具有较低的拉伸强度和较高的断裂倾向,从而限制了其在可拉伸电磁屏蔽和可变形天线上的应用。如果将平面MXene薄膜(或复合材料)预揉成高维度结构,让预变形的MXene涂层可以发生可逆的皱折/展开行为来释放平面内的应变,可以赋予MXene涂层的可拉伸特性。然而到目前为止,可拉伸电磁干扰屏蔽材料或基于MXene的可穿戴无线通信器尚未得到充分的研究

    有鉴于此,新加坡国立大学Po-Yen Chen教授课题组通过在乳胶上沉积由2D Ti3C2Tx纳米薄片(MXene)和单壁碳纳米管(SWNTs)组成的弯曲纳米涂层,制备出一种超敏导体,用于高性能可穿戴天线EMI屏蔽器件作者制备出的MXene-SWNT (S-MXene)/乳胶器件能够承受高达800%的面积应变,并在500个周期的疲劳试验中表现出对应变不敏感的电阻特性。在800%的面积应变下,单层可拉伸S-MXene导体的EMI屏蔽性能测试结果为≈30 dB;将5层或10层S-MXene导体叠加后,其屏蔽性能可以分别提高到≈47和≈52 dB。此外,作者还制备了可拉伸的S-MXene偶极子天线,单轴拉伸可达150%而反射功率不受影响。最后,作者通过将S-MXene电磁干扰屏蔽与可拉伸S-MXene天线集成,展示了一种可穿戴的无线系统,该系统能够在减弱人体电磁吸收的同时,提供力学稳定的无线传输。

【图文详解】

    图1a展示了在乳胶衬底上由具有褶皱纹理的MXene基涂层所组成的可拉伸导体制备过程。S-MXene膜(厚度≈1.0µm)的横截面SEM图像(图1 b)表明,S-MXene膜中的SWNTs均匀分布并且相互交错。如图1c所示,经预处理后的乳胶可以掺入GO薄层,且经力学分层测试得出的结合能为238.15 J m2,高于没有GO层的样品(151.78 J m2)以及没有任何修饰的样品(113.32 J m2)。在底物收缩后,作者制备了具有更大联锁界面的S-MXene/latex双层器件(图1d)。图1e展示了S-MXene在不同拉伸状态下受球囊膨胀驱动的持续演化,当乳胶球囊逐渐再充气至100 cm3时,S-MXene/乳胶双层器件得到全方位拉伸,涂层的表面积从0.8(放气状态)增加到7.0 cm2(充气状态),对应的面积应变约为800%。

无线设备的“安全密匙”:可拉伸二维MXene纳米涂层1:可拉伸S-MXene/乳胶器件的制备与形貌表征及测试。

    随后,作者通过电化学工作站测量出S-MXene导体在不同面积应变下的电阻(图2a)。图2b的I-V线性关系表明,可拉伸S- MXene导体在较大的面积应变下,可以保持高导电率(约2900 S cm1)和欧姆行为。图2 c为各种MXene基导体在不同面积应变下的电阻,相比之下,柔性S-MXene导体表现出更不敏感的电阻曲线,在连续负载到1200%的区域应变过程中,电阻仅从16.6增加到25.2 Ω (图2c)。由于不可折叠的S-MXene纹理始终遵循预编折痕,从而导致应变负载和弛豫过程中的阻力几乎相同(图2d)。在测试可拉伸S-MXene导体松弛和拉伸状态下的电阻(图2e)发现,经过500次循环测试,可拉伸S-MXene导体的电阻增加<7%(松弛状态)<9%(拉伸状态),表明不可折叠的S-MXene活性层具有很高的力学稳定性。在图2f中总结了可拉伸的S-MXene导体与文献报道的其它可拉伸导体对比。可以发现,在所有可拉伸导体中,S- MXene在单轴变形200%的情况下,Qconductor值较高为3.5,并具有较高的电导率 (约2900 S-1)。

无线设备的“安全密匙”:可拉伸二维MXene纳米涂层2:可伸缩S-MXene导体的电导率和力学行为测试。

    图3a说明可拉伸S-MXene在电磁屏蔽应用下的基本机理。在图3b中,单层可拉伸S-MXene导体在不同面积应变下,EMI SE性能约为30 dB,对应的EMI屏蔽效率为99.9%。在后续的疲劳试验中,没有观察到EMI SE的衰退(图3c), 证明可拉伸的S-MXene在 EMI屏蔽应用中具有很好的耐久性。如图3d所示,作者分别在38、47和52 dB处测量了2层、5层和10层叠加层在800%面积应变下的EMI SE。图3e显示了在8.9 GHz下可拉伸S-MXene导体(单层和堆叠)的电磁吸收(SEA)和反射(SER)贡献,表明EMI SE性能主要来源于多层纳米结构的内部吸收。如图3f所示,大多数报道的EMI 屏蔽可承受有限的单轴变形,在拉伸时电磁干扰SE通常急剧下降,而S-MXene即便在高单轴变形下,EMI性能也没有变化。

无线设备的“安全密匙”:可拉伸二维MXene纳米涂层3:可拉伸S-MXene的电磁屏蔽性能测试。

    利用可拉伸S-MXene导体可制作可穿戴射频(RF)无线通信器。4a展示了可拉伸S-MXene偶极子天线(简称S-MXene天线)的制备过程,该天线由两个由绝缘间隙隔开的可拉伸S-MXene导体对称片组成。如图4b所示,对S-MXene天线进行模拟,可以探究S-MXene导体用于无线通信的潜力。仿真结果表明,在100%的单轴应变条件下,S-MXene偶极子天线在XY平面上具有最强的全向辐射,表明S-MXene天线的方向性。为进一步研究S-MXene天线在不同拉伸状态下的性能,作者将两根S-MXene天线支路进行单轴拉伸,随着单轴应变的增加,弯曲的纹理逐渐变形为周期性的褶皱(图4c)。与应变不变的反射功率不同,S-MXene天线的谐振频率与施加的应变呈线性关系(图4d)。此外,在图4e的疲劳测试中,S-MXene天线在相同的谐振频率(1.425 GHz)100%的单轴应变下,经500周循环测试,其反射|S11|几乎相同(33 dB)。图4f中显示,S-MXene天线在100%和150%单轴应变下的Qantenna值分别为11.1和7.5,均高于其它文献报道的数值。

无线设备的“安全密匙”:可拉伸二维MXene纳米涂层4:可拉伸S-MXene偶极子天线的制备与性能。

    最后,作者制作出基于可拉伸S-MXene导体的穿戴式电磁屏蔽器件。如图5a所示,作者使用了一个商用蓝牙模块作为带有无线通信器的医疗设备模型,将个人的健康记录(如心跳)传输到智能手机中。可以看到,在没有屏蔽材料的情况下,电磁波可以通过无线传输到达智能手机中,而一旦信号通路被S-MXene导体阻塞,智能手机就不会收到任何信息。随后,作者进一步集成了可拉伸的偶极天线和可拉伸的电磁干扰屏蔽,开发出一种可穿戴的S-MXene系统。如图5b所示,在弹性衬衫的外侧附着可拉伸的S-MXene天线,在内侧附着可拉伸的S-MXene EMI屏蔽,提供现场电磁保护。在图5c中,可穿戴的S-MXene天线在松弛和拉伸状态下均表现出约0.01%的恒定反射功率,而可穿戴式S-MXene天线的性能经过100次手臂弯曲后没有任何退化。进一步使用商用Wi-Fi蓝牙天线(接收器),可以量化可穿戴S-MXene天线操作时不同位置的信号强度。与未加任何电磁屏蔽保护的接收天线接收到的信号强度(|S21|, ca.−32 dB)相比,将接收天线分别置于松弛层和拉伸层S-MXene之下时,信号强度(|S21|,−45和−52 dB)分别下降了95%和99%(图5d)。

无线设备的“安全密匙”:可拉伸二维MXene纳米涂层5:由可穿戴S-MXene系统集成的可伸缩天线和现场电磁屏蔽仪。

【总结】

    综上所述,通过在乳胶衬底上对S-MXene涂层进行预屈曲,制备出一种可拉伸的S-MXene导体,其具有良好的力学稳定性和抗应变敏感性,并该首次应用于可拉伸电磁屏蔽和可穿戴天线中。对于EMI屏蔽应用,单层S-MXene导体的应变不变EMI SE为≈30 dB,最大可承受800%的面应变,将5层或10层S-MXene导体叠加,可以使EMI SE进一步提高。对于可穿戴式无线通信应用,S-MXene天线具有很高的可拉伸性,且在疲劳测试中保持性能稳定。最后,作者开发了可伸缩的S-MXene天线与现场EMI屏蔽的集成系统,该系统为实现应变稳定的无线通信提供了一种极具潜力的方案。

Yang Li, Xi Tian, Si-Ping Gao, Lin Jing, Kerui Li, Haitao Yang, Fanfan Fu, Jim Yang Lee, Yong-Xin Guo, John S. Ho, and Po-Yen Chen, Reversible Crumpling of 2D Titanium Carbide (MXene) Nanocoatings for Stretchable Electromagnetic Shielding and Wearable Wireless Communication, Adv. Funct. Mater. 2019. DOI:10.1002/adfm.201907451

本文由能源学人编辑liuqiwan发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/29793.html

参考文献:Adv. Funct. Mater.