随着5G技术的飞速发展以及便携式、可穿戴电子设备的普及，电磁干扰（EMI）不仅严重影响精密电子器件的运行稳定性，还会造成电磁污染危害人体健康，开发满足“轻、薄、柔、强、多功能”要求的高性能电磁屏蔽材料成为亟待解决的问题。MXene因优异的金属导电性、独特的层状结构成为柔性电磁屏蔽材料的理想候选，但MXene纳米片间界面作用较弱导致其宏观力学性能较差，而直接引入聚合物构筑均质结构提升力学性能的传统方法又会大幅降低其导电性（牺牲电磁屏蔽性能），二者难以兼顾成为该领域的核心挑战。此外，下一代可穿戴电子设备对电磁屏蔽材料提出了更高要求，亟需实现电磁屏蔽与运动传感、热管理、自清洁等电子皮肤功能的集成。
近日，南方科技大学薛亚辉教授团队在国际期刊《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“Multiscale-reinforced high-strength MXene-based EMI shielding films with integrated electronic skin functionalities”的研究成果，第一作者为喻凌峰。研究者受天然珍珠层结构与界面工程启发，通过多尺度结构设计，成功制备出兼具超高力学强度、高效电磁屏蔽性能与多功能电子皮肤特性的MXene基复合膜，解决了MXene基材料力学与电磁屏蔽性能难以兼顾的难题，为高性能多功能电磁屏蔽材料的开发提供了简便高效的新策略。
图1. C-CGM复合薄膜的制备工艺及多功能应用示意图
研究者采用连续真空辅助过滤、分子级化学交联、热压及疏水表面处理的分步工艺，制备出三明治结构的交联CNF/GO-MXene（C-CGM）复合膜，其结构设计兼具导电性保留与力学增强的双重优势，制备流程与结构特征如下：
1. 以纤维素纳米纤维（CNF）为“砂”、氧化石墨烯（GO）为“砖”，构建仿珍珠层“砖-砂”结构的CNF/GO层，通过聚甲基二苯基二异氰酸酯（PMDI）化学交联，在分子级形成氢键与共价键协同的强界面作用。
2. 将独立自组装的MXene导电层夹在两层交联CNF/GO层之间，形成三明治结构，既保留MXene层的高导电网络，又通过CNF/GO壳层实现力学增强与电气安全。
3. 经热压工艺提升膜层致密度，最后通过喷涂疏水二氧化硅与聚二甲基硅氧烷（PDMS），得到超疏水型S-C-CGM复合膜，同时制备共混型复合膜作为对照。
该复合膜实现了分子级（氢键+共价键）、微观尺度（仿珍珠砖-砂结构）、宏观尺度（三明治结构）的多尺度增强，为优异的综合性能奠定结构基础。
图2. 复合薄膜中键合相互作用与微观结构的表征
多尺度的界面作用与结构设计让复合膜的力学性能实现质的飞跃：C-CGM-10复合膜的拉伸强度高达270 MPa，是纯MXene膜（＜20 MPa）的19倍以上，远优于多数已报道的MXene基复合膜。复合膜可承受200 g重物而不破裂，兼具优异的柔韧性，可实现卷绕、弯折、折叠等复杂变形，弯折1000次后性能无明显衰减。经超声、胶带剥离、酸碱/有机溶剂浸泡后，力学性能仍保持稳定，高温高湿（70 ℃/85% RH）老化72 h后，抗氧化性远优于纯MXene膜，展现出优异的环境稳定性。
图3. MXene基复合薄膜的力学性能
图4. C-CGM-X复合薄膜的电磁屏蔽性能和实际应用
三明治结构保留了MXene层的高导电性（C-CGM-50电导率达819.9 S·cm-1），赋予复合膜高效且稳定的电磁屏蔽性能：MXene含量50 wt%时，复合膜在X波段的电磁屏蔽效能（EMI SE）达53 dB，远超20 dB的商用标准，可有效阻挡绝大部分入射电磁波。单位厚度屏蔽效能（SE/t）高达14838 dB·cm-1，比屏蔽效能（SSE/t）达8950 dB·cm2·g-1，综合屏蔽性能处于该领域前列。屏蔽机制以反射为主、吸收为辅，阻抗失配实现电磁波的高效反射，MXene的欧姆损耗、偶极极化与界面极化，以及层间多次反射实现电磁波的充分吸收，双重作用提升屏蔽效率。经各类物理/化学损伤后，屏蔽性能保留率超97%，展现出超高的屏蔽稳定性，实际演示中可有效阻断特斯拉线圈的电磁波传输、屏蔽手机通信信号，证实了实际应用价值。
图5. 电磁屏蔽机理
复合膜在实现高效电磁屏蔽的同时，还实现了人体运动传感、焦耳热调控、自清洁的电子皮肤多功能集成，满足可穿戴电子设备的多元需求。
图6. 人体运动监测
人体运动传感：复合膜的电阻对弯曲变形具有快速、灵敏的响应，可精准采集手指、手腕、肘部、膝盖、脚踝等不同关节的运动信号，信号稳定无衰减，能实现人体运动的实时监测，在智能健康检测领域具有应用潜力。
图7. S-C-CGM-50复合膜的焦耳热效应及自清洁性能
焦耳热性能：依托高导电性，复合膜在低电压下实现快速、可控的焦耳热升温，1.5 V时快速升至42 ℃，3.0 V时饱和温度达140 ℃，电压与饱和温度呈良好线性关系，可实现精准热调控；经9次开/关循环加热、960 s长期保温后，温度分布均匀且性能无衰减，可应用于电子设备除冰、人体热管理等场景。自清洁性能：疏水涂层修饰后的S-C-CGM复合膜水接触角达151°，具备超疏水特性，对牛奶、咖啡、盐水、酸碱液等均具有良好的抗污性，表面灰尘可通过水洗轻松去除，经50次耐磨后水接触角仍达148°，有效解决了实际应用中的表面污染问题。
该研究通过多尺度结构设计与界面工程，首次实现了MXene基复合膜高力学强度、高效EMI屏蔽、电子皮肤多功能的协同集成，成功解决了传统MXene基材料力学性能差与电磁屏蔽性能难以兼顾的核心难题，其制备工艺简便、原料可再生，兼具规模化制备潜力。
所制备的C-CGM复合膜不仅具备轻、薄、柔、强的结构特征，还实现了电磁屏蔽、运动传感、热管理、自清洁的多功能集成，同时兼顾电安全、环境稳定性与抗氧化性，在下一代柔性可穿戴电子设备、航空航天、国防、智能健康监测等领域具有广阔的应用前景，也为高性能多功能电磁屏蔽材料的设计与开发提供了新的思路与方法。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.173663
人物简介：
薛亚辉副教授，博士生导师，国家级人才计划青年项目获得者，于2009年和2015年毕业于北京大学工学院力学与工程科学系，分别获得理论与应用力学专业的学士学位和固体力学专业的博士学位。2011年至2013年作为访问学者在德国盖斯特赫特亥姆霍兹研究中心材料研究所交流学习。2016年2021年在美国加州大学伯克利分校进行博士后研究工作。2021年6月至今在南方科技大学力学与航空航天工程系任助理教授，副教授。
主要从事微纳米力学、固-液界面力学、微纳结构材料、仿生离子通道等领域的研究，致力于揭示液体在微纳米结构界面的多尺度力学行为和机理，利用新材料和新方法，解决微纳米结构的浸润稳定性、纳米尺度以及原子尺度液体和离子传输的可控性等方面的关键科学问题，在能源、环境工程、医学等领域具有重要应用。至今，在Science、Nat. Commun.、PRL、PNAS、Appl. Mech. Rev.、Proc. R. Soc. A等杂志发表SCI论文四十多篇，其中包括Science等第一作者论文一篇。在力学权威综述期刊Applied Mechanics Reviews发表综述论文一篇，荣获美国机械工程师协会两年一度的The Lloyd Hamilton Donnell Applied Mechanics Reviews Paper Award（国内首篇）。
