西建大Luxin Zhang团队·Carbohydr. Polym.·水凝胶·高黏附·介电·导电损耗·微波吸收·宽带EAB- 大数跨境

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西建大Luxin Zhang团队·Carbohydr. Polym.·水凝胶·高黏附·介电·导电损耗·微波吸收·宽带EAB

Gel Hub

2025-10-24

导读：1）水凝胶、MXene/纤维素复合水凝胶。2）深共熔溶剂溶解、氢键作用、界面极化、导电网络、阻抗匹配、多重内反射/散射。3）性能：强黏附、高韧性、宽带微波吸收、介电/导电损耗、可塑成形。4）应用：电磁

超强粘附与高韧性的Ti₃C₂Tₓ/纤维素水凝胶用于高效微波吸收

总瞰脉络（综述与技术路线图）⬇︎

为应对“柔性电磁隐身与电磁污染治理”对吸波材料提出的强黏附、宽带与高韧性等协同指标需求，西建大Luxin Zhang团队构建了以深共熔溶剂（ZnCl₂·xH₂O/甲酸）室温溶解微晶纤维素（MCC）为平台，并与Ti₃C₂Tₓ（MXene）及PAM三元网络协同的MXene/MCC/PAM（MX‑C）水凝胶体系。团队采用“DES溶解MCC→MXene分散→自由基原位快速交联（≈30 s固化）”的一步成胶策略，制得具有强界面黏附、力学韧性与高效微波吸收耦合优势的水凝胶；其在2 mm厚度下实现X波段（8–12 GHz）全带宽有效吸收（RL≤−10 dB），最小反射损耗达−28 dB；黏附强度最高2.13 MPa，可直接贴附木材、金属、玻璃、橡胶等多类基底；力学上表现出≈524%拉伸应变与≈1218 kPa抗压强度。上述优异性源自：（i）导电损耗为主、极化损耗为辅（偶极/界面极化）带来的强介电耗散；（ii）适度的导电网络与介电常数实现阻抗匹配；（iii）MXene层状—水凝胶3D网络导致的多重内反射与散射。次级优势还包括可塑成形与快速固化等。得益于“强黏附+宽带吸收+柔性适形”的组合特征，该体系在柔性电磁屏蔽/隐身、智能伪装及可穿戴电磁管理等方向具有潜在应用。相关论文以“Ultra-adhesive and tough Ti₃C₂Tₓ/cellulose hydrogels for highly efficient microwave absorption”为题，发表在“Carbohydr. Polym.”上。技术路线图（部分）如下：

一、解决的科学问题

研究动机：柔性电磁隐身与复杂场景微波管理要求吸波层既能牢固贴附多种曲面，又需在较小厚度下实现宽带、强吸收并保持良好力学韧性。前人瓶颈：传统吸波凝胶普遍存在界面黏附性不足、力学稳健性与加工可塑性受限、以及在X波段有效吸收带宽（EAB）较窄等问题。本工作方案：以DES室温绿色溶解MCC，构建Ti₃C₂Tₓ/MCC/PAM三元网络；通过优化MXene分散浓度至3.0 wt%，形成适度贯通的导电网络与多尺度异质界面，在2 mm厚度实现X波段全带宽吸收，同时显著提升黏附与韧性。关键问题回应：在“导电/极化损耗–阻抗匹配–结构散射”三者协同框架下，实现强黏附、高韧性与宽带微波吸收的统一。

二、创新点

西建大Luxin Zhang（通讯作者）团队：提出基于ZnCl₂·xH₂O/甲酸深共熔溶剂室温溶解MCC、并与Ti₃C₂Tₓ及PAM协同构筑的三元网络强黏附吸波水凝胶思路，实现“快速成胶（≈30 s）+高黏附（2.13 MPa）+宽带强吸收（2 mm厚度覆盖8–12 GHz）”的统一。创新点一：利用DES溶解MCC，构建富含–OH的氢键网络，显著提升界面黏附与力学韧性。创新点二：调控MXene含量至3.0 wt%形成适度导电路径与显著界面极化，实现介电耗散增强与阻抗匹配优化。创新点三：三维网络/层状结构带来的多重内反射与散射，进一步延长电磁波传播路径以增强吸收。

三、合成策略

材料原料：Ti₃AlC₂、LiF、HCl、MCC、丙烯酰胺（AM）、N,N′‑亚甲基双丙烯酰胺（交联剂）、过硫酸铵（引发剂）、ZnCl₂、甲酸、去离子水等。合成策略：DES（ZnCl₂·xH₂O/甲酸）室温溶解MCC→MXene制备与分散→与AM混合后自由基原位聚合，≈30 s快速固化得MX‑C水凝胶。合成机理关键词：深共熔溶剂溶解、氢键作用、自由基聚合、导电网络形成、异质界面极化。材料性能优势：2 mm厚度下X波段EAB全覆盖、RL_min≈−28 dB；黏附强度≈2.13 MPa；拉伸应变≈524%，抗压强度≈1218 kPa。应用领域简写：柔性电子（FE）、电磁隐身/屏蔽（EMI/Stealth）、智能伪装（IC）。

四、主要性能与结构设计归因

主要性能表现：薄层（≈2 mm）条件下实现X波段全带宽有效吸收与强最小反射损耗；兼具超强黏附与高延展性/承载力。性能支撑机制：以导电损耗为主、偶极/界面极化为辅；通过调控MXene含量实现阻抗匹配；三维网络/层状结构引发多重内反射与散射。结构/原料设计赋能：DES‑MCC氢键网络提供富极性位点与能量耗散通道；Ti₃C₂Tₓ构建适度导电路径并提供表面功能团以促界面极化；PAM‑MCC‑MXene三元网络提升韧性与形变适应性。次要性能表现：快速成胶、可塑成形、对多基底的可重复粘附。机理支撑：氢键/离子‑偶极相互作用与网络能量耗散，配合适配的介电常数与电导率。

五、材料应用场景与性能表现

材料综合特性汇总：强黏附+宽带强吸收+柔性高韧的组合性能。典型应用方向：柔性电磁隐身与智能伪装、曲面结构吸波层、可穿戴电磁管理器件。具体表现指标：2 mm厚度X波段EAB全覆盖、RL_min≈−28 dB；黏附强度≈2.13 MPa；拉伸应变≈524%；抗压强度≈1218 kPa。

六、研究意义与潜在应用

核心贡献：提出“DES溶解‑三元网络‑阻抗匹配调控”的强黏附宽带吸波水凝胶通用路线，兼顾成形效率、力学稳健与电磁性能。科学/工程意义：为柔性/贴附式吸波材料提供兼具界面黏附与宽带吸收的材料学解决方案，并兼顾绿色溶剂与室温加工的可扩展性。潜在拓展：适配曲面与动态界面的隐身与屏蔽、可穿戴电磁健康管理、智能伪装与信息防护等。

七、全文关键词

1）凝胶种类：水凝胶、MXene/纤维素复合水凝胶。
2）机理：深共熔溶剂溶解、氢键作用、界面极化、导电网络、阻抗匹配、多重内反射/散射。
3）性能：强黏附、高韧性、宽带微波吸收、介电/导电损耗、可塑成形。
4）应用：电磁隐身/屏蔽、智能伪装、柔性电子。

八、作者与单位

通讯作者：Luxin Zhang
研究单位（中文）：
西安建筑科技大学环境与市政工程学院；陕西省环境工程重点实验室；西北水资源、环境与生态教育部重点实验室；
国防科技大学航空航天科学与工程学院先进陶瓷纤维与复合材料重点实验室；
西安电子科技大学物理学院；
西安理工大学陕西省网络计算与安全技术重点实验室。
发表时间：2025-09-14（Available online）
期刊：Carbohydrate Polymers
DOI：10.1016/j.carbpol.2025.124402

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