一、文章概述

尽管Ti₃C₂T_x MXene纳米片具有高导电性，但设计高度可拉伸的MXene电极以用于柔性电子设备仍然是一个挑战。受剪纸图案的高延展性的启发，近日，北京化工大学Hao-Bin Zhang和Zhong-Zhen Yu老师研究团队报道了一种自下而上的方法，通过在柔性PDMS基底上构造褶皱的MXene图案以创建具有主要和次要表面起皱的分层表面，可设计高拉伸性、导电性聚二甲基硅氧烷（PDMS）/Ti₃C₂T_x MXene膜以用于电磁干扰（EMI）屏蔽和压力传感应用。相关研究工作以题为“Kirigami-Inspired Highly Stretchable, Conductive, and Hierarchical Ti3C2Tx MXene Films for Efficient Electromagnetic Interference Shielding and Pressure Sensing”发表在国际顶尖期刊ACS Nano (IF=14.588)上，引起了本领域的广泛关注。

二、图文导读

（1）在预拉伸/释放循环过程中，在分层膜的谷域中通过不均匀变形产生的自控微裂纹赋予了分层PDMS/MXene膜具有高拉伸性（100％），在0％-100％应变范围内具有稳定的电导率以及在1000次循环疲劳测量中稳定的电导率。

图1.（a）具有褶皱MXene层的分层PDMS/MXene膜的制造示意图。

（b）褶皱的PS/MXene和PDMS/MXene膜的照片。

（c）褶皱的PS/MXene膜和（d）褶皱的PDMS/MXene膜的SEM图像。

（e）起皱的PDMS/MXene膜的横截面光学图（上）和SEM（下图）。

（f）褶皱波长和（g）PDMS/MXene膜的振幅对MXene层厚度的相关性。

图2.（a）基于切割的剪纸膜和基于裂纹的剪纸膜以及h-PDMS/MXene膜在拉伸过程中的裂纹演变示意图。

（b）h-PDMS/MXene薄膜在拉伸过程中的表面形貌演变。

脊结构（c）不具有和（d）具有100％的拉伸应变。

图3.（a）h-PDMS/MXene膜的电阻变化与所施加应变的关系图。

（b）h-PDMS/MXene膜的电阻变化与最大施加应变的关系图。

（c）h-PDMS/MXene膜的循环测试。

（d）h-PDMS/MXene薄膜的应变时间（ST）和电阻时间（RT）曲线。

（e）h-PDMS/MXene薄膜在无（上）和预应力为10％（下）的情况下的S-T和R-T曲线。

（f）在不同应变下h-PDMS/MXene膜的裂纹长度、岛长和裂纹密度图。

图4.（a）具有不同脊高的分层PDMS/MXene膜的横截面SEM图像。

（b）在拉伸应变为50％时具有不同脊高的分层PDMS/MXene膜的表面形貌和（c）裂纹密度和长度。

（d）在50％的拉伸应变下，具有不同脊高的PDMS/MXene分层膜的电阻变化。

（e）通过有限元分析，PDMS、PDMS-G120和h-PDMS-G120/G260薄膜的应变分布。

（f）通过有限元分析，h-PDMS-G120/G260薄膜在不同应变下的应变分布。

（2）可拉伸膜在50％的拉伸应变下表现出约30 dB的高度稳定的EMI屏蔽性能，并且通过构建两层膜结构，其EMI屏蔽效率进一步提高至103 dB。

图5.（a）h-PDMS/MXene膜的EMI屏蔽和焦耳热示意图。

（b）h-PDMS/MXene薄膜，平坦的PDMS/MXene薄膜和平坦的PDMS/MXene薄膜在140℃退火且具有相同MXene层厚度的EMI屏蔽性能。

（c）具有不同MXene图层厚度的h-PDMS/MXene薄膜的EMISE图。

（d）在拉伸变形下用于EMI屏蔽的h-PDMS/MXene膜的光学照片。

（e）h-PDMS/MXene膜的EMISE与施加应变的关系图。

（f）EMISE与单层和双层h-PDMS/MXene膜的MXene蒙皮厚度的关系图。

h-PDMS/MXene薄膜的焦耳加热性能（g）在不同电压下和（h）在不同MXene厚度下。

（i）在拉伸应变下的h-PDMS/MXene膜的红外照相机图像和照片。

（j）扭曲和弯曲下h-PDMS/MXene胶片的红外热像仪图像。

图6.（a）图解说明基于PDMS/MXene的触摸传感器的制备过程。

（b）触摸传感器的分层结构。

（c）s-HMIS的压力-电容响应。

（d）不同电极对数量的b-HMIS的压力-电容响应。

（e）在不同拉伸应变下，s-HMIS的压力-电容响应。

（f）s-HMIS在90°弯曲角下的耐久性测试。

（g）s-HMIS的响应时间和重置时间。

（h）s-HMIS的频率响应性能。

（3）此外，通过模版印刷工艺制造了具有高度集成的MXene基电极和电路，可用于高度可拉伸且灵敏的离电式传感阵列，具有很高的灵敏度（66.3 nF/kPa）、在不同频率下在1000次循环中具有出色的动态循环稳定性、在50％拉伸应变下具有灵敏的压力监测能力。

图7.（a）b-HMIS在脉冲监测中的应用。

（b）s-HMIS在检测声音振动中的应用，以及（c）电容变化信号的短时FFT（STFT）。

s-HMIS传感器阵列的（d）示意图和（e）照片，以及（f）相应的电容分布图。

（g）作为触觉的b-HMIS传感器阵列的示意图。

（h）肘关节运动和相应的电容分布图的照片。

三、论文信息

Kirigami-Inspired Highly Stretchable, Conductive, and Hierarchical Ti3C2Tx MXene Films for Efficient Electromagnetic Interference Shielding and Pressure Sensing

ACS Nano (IF=14.588)

Pub Date : 2021-04-16

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01277

Wei Chen, Liu-Xin Liu, Hao-Bin Zhang*, and Zhong-Zhen Yu*

Beijing Key Laboratory of Advanced Functional Polymer Composites, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China