抗氧化且超稳定的AZO包覆银纳米线/碳化钙纳米管薄膜，实现持续的电磁屏蔽和焦耳热效应

《Surfaces and Interfaces》：Oxidation-Resistant and Ultrastable AZO-Encapsulated AgNWs/CA-SWCNTs Films Enabling Sustained EMI Shielding and Joule Heating

银纳米线与柠檬酸修饰碳纳米管复合薄膜通过溶胶-凝胶法制备铝掺杂氧化锌保护层，实现高透明度（82.1%@550nm）、低电阻（5.4Ω/sq）和优异电磁屏蔽（28.9dB@8.2GHz），兼具高效加热（120°C/90s）和环境稳定性（19.9%氧化增阻率）。

　　本研究聚焦于开发一种多功能的柔性透明导电薄膜，旨在满足现代电子设备对透明性、导电性和电磁屏蔽性能的多重需求。随着电子技术的快速发展，尤其是在可穿戴设备、智能座舱和柔性显示屏等新兴应用场景中，对材料的性能提出了更高的要求。传统的电磁屏蔽材料，如金属箔，虽然具有优异的屏蔽效果，但其不透明性和刚性结构限制了其在柔性电子设备中的应用。而以氧化铟锡（ITO）为代表的透明导电材料，虽然在透明性和导电性方面表现良好，但其脆性问题使得其难以适用于需要弯曲和拉伸的柔性器件。因此，研究者们正在探索新的材料体系，以实现高电磁屏蔽效率、高效焦耳加热能力和透明导电性的结合。

银纳米线（AgNWs）因其出色的导电性和较低的电阻，被认为是替代ITO的有前景材料。然而，AgNWs在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，AgNWs的高表面活性使其容易受到环境中的氧化和硫化作用影响，导致其导电网络随着时间推移逐渐退化。其次，在焦耳加热过程中，由于AgNWs之间接触电阻较高，容易在局部产生高温热点，进而引发热失效。此外，AgNWs与聚合物基底之间的弱范德华力无法有效抵抗动态弯曲过程中的剪切应力，导致导电网络出现裂纹甚至完全剥离的现象。为了解决这些问题，研究者们尝试通过复合材料设计和保护层构建来增强AgNWs的稳定性。

本研究提出了一种多层复合结构，通过将AgNWs与改性单壁碳纳米管（CA-SWCNTs）结合，并在其表面覆盖一层铝掺杂氧化锌（AZO）保护层，从而构建出具有协同效应的导电网络。这种结构设计不仅提升了AgNWs的稳定性，还进一步优化了其导电性能和焦耳加热效率。具体而言，AgNWs作为导电骨架，其高长径比使得导电网络能够实现低电阻和高透明度的平衡。而CA-SWCNTs则通过非共价修饰增强了与AgNWs之间的界面结合力，同时改善了材料的亲水性和分散性，从而降低了AgNWs之间的接触电阻，并促进了热传导路径的稳定。此外，AZO保护层采用溶胶-凝胶法进行制备，其纳米级的结构能够有效阻挡环境中的氧化性物质，提高材料的环境耐受性，同时增强其机械强度，使其能够承受反复的弯曲和拉伸。

研究团队在实验过程中对材料的制备和性能进行了系统分析。首先，通过聚乙二醇法合成高长径比的AgNWs，其平均直径为74纳米，长度可达53微米。这种纳米线的结构使其能够在极薄的层面上形成连续的导电网络，从而实现低电阻和高透光率的双重优势。随后，将AgNWs与CA-SWCNTs进行复合，通过优化分散条件和界面结合方式，使两者能够形成稳定的互连结构。这种互连结构不仅增强了材料的整体导电性，还提高了其热传导效率，使得在低电压下即可实现高效的焦耳加热。实验数据显示，在7伏特的电压下，复合薄膜能够在90秒内迅速加热至120摄氏度，显示出优异的热响应性能。

为了进一步提升材料的稳定性，研究团队在复合结构的表面引入了一层AZO保护层。AZO层的制备采用了溶胶-凝胶法，该方法能够实现均匀的涂层覆盖，确保AgNWs和CA-SWCNTs之间的界面得到充分保护。通过这种纳米级的封装，材料的氧化和硫化问题得到了有效抑制，从而显著提高了其在复杂环境下的使用寿命。此外，AZO层的引入还增强了复合薄膜的机械性能，使其在多次循环操作后仍能保持较低的电阻水平。实验结果显示，经过480小时的空气暴露后，复合薄膜的电阻仅增加了19.9%，而在经过100次胶带剥离测试后，其电阻增加幅度仅为22.1%。这些数据表明，该复合结构在长期使用和环境适应性方面具有显著优势。

在电磁屏蔽性能方面，该复合薄膜表现出优异的屏蔽效果。在8.2 GHz频率下，其电磁干扰屏蔽效率（EMI SE）达到了28.9 dB，这一数值表明其能够有效阻挡大部分电磁波的传播，从而提供良好的电磁防护能力。这一性能的实现得益于AgNWs的高导电性和CA-SWCNTs的多维导热路径，二者共同构成了高效的电磁屏蔽结构。同时，AZO层的引入不仅增强了材料的导电性，还进一步提升了其电磁屏蔽能力，使其能够在不牺牲透明度的前提下，实现对电磁波的有效抑制。

从实际应用角度来看，该复合薄膜的多功能性使其能够满足多种需求。在可穿戴设备中，其透明性和柔性使其能够作为皮肤贴附式传感器的基底材料，同时具备良好的电磁屏蔽能力，可有效防止外部电磁干扰对设备性能的影响。在智能座舱和柔性显示屏中，其高效的焦耳加热性能可以用于主动热管理，帮助设备在极端温度变化下保持稳定的运行状态。此外，其良好的环境耐受性和机械稳定性也使其适用于户外或高湿度环境下的电子设备，进一步拓展了其应用范围。

研究团队在实验设计和材料优化方面进行了大量探索。例如，在制备AgNWs的过程中，通过控制反应条件和纳米线的生长方向，使其能够形成均匀的网络结构，从而减少局部电阻的不均匀性。同时，在CA-SWCNTs的改性过程中，研究者们采用了一种非共价修饰策略，通过引入柠檬酸分子，使其能够在不破坏碳纳米管结构的前提下，增强其与AgNWs之间的相互作用。这种改性方法不仅提高了CA-SWCNTs的分散性，还增强了其对AgNWs的界面保护作用，从而显著提升了复合材料的整体性能。

在AZO保护层的制备过程中，研究团队采用了溶胶-凝胶法，这种方法能够实现对AgNWs和CA-SWCNTs的均匀覆盖，确保其在后续使用过程中不会因环境因素而发生性能退化。同时，AZO层的引入还优化了材料的光学性能，使其在550纳米波长下的透光率从81.3%提升至82.1%，这一微小但显著的提升表明其在保持高透明度的同时，仍能实现优异的电磁屏蔽和导电性能。此外，AZO层的机械强度也得到了增强，使其能够有效抵抗外部应力，从而提升复合薄膜的耐用性。

该研究不仅在材料设计上取得了突破，还在制备工艺上进行了创新。通过优化各层的涂覆顺序和工艺参数，研究团队成功构建了一个稳定的多层复合结构，使得AgNWs、CA-SWCNTs和AZO层能够协同工作，共同提升材料的综合性能。这一工艺的优化为大规模生产和实际应用提供了可行的路径，使得该复合薄膜能够在工业环境中得到广泛应用。

从研究意义来看，该工作为下一代柔性电子设备的发展提供了重要的材料基础。随着物联网、人工智能和可穿戴技术的不断进步，电子设备对材料的性能要求越来越高。而本研究提出的多层复合结构，不仅解决了AgNWs在实际应用中的稳定性问题，还通过引入CA-SWCNTs和AZO层，实现了导电性、热传导性和电磁屏蔽性的协同提升。这种材料设计策略为开发高性能的柔性透明导电薄膜提供了新的思路，也为未来智能设备的可靠性、安全性和舒适性提供了保障。

此外，本研究还强调了材料科学与工程领域的交叉融合。通过结合纳米材料的优异性能和聚合物基底的柔性和可加工性，研究团队成功构建了一个具有多功能特性的复合材料体系。这种跨学科的研究方法不仅推动了材料性能的提升，还为相关领域的技术创新提供了新的方向。例如，在电磁屏蔽材料的开发中，除了传统的金属材料，越来越多的研究开始关注非金属材料的潜力，如碳纳米管、石墨烯和MXene等。这些材料不仅具有良好的导电性和热传导性，还具备优异的机械性能和环境适应性，使其成为未来电磁屏蔽材料的重要候选。

在实际应用中，该复合薄膜的性能优势使其能够满足多种复杂场景的需求。例如，在医疗领域，其透明性和导电性可以用于开发可穿戴的生物传感器，这些传感器能够实时监测人体生理信号，同时具备良好的电磁屏蔽能力，以防止外部信号干扰。在汽车工业中，该材料可以用于智能座舱的加热和电磁屏蔽功能，提高设备的可靠性和用户体验。而在柔性显示屏和可折叠电子设备中，其高透明度和低电阻特性使其成为理想的导电基底材料，能够支持高分辨率和高亮度的显示效果，同时确保设备在使用过程中的稳定性和耐用性。

从技术角度来看，该研究的创新点在于多层复合结构的设计和协同作用的实现。通过将AgNWs、CA-SWCNTs和AZO层有机结合，研究团队成功构建了一个具有多功能特性的材料体系，使其能够在多个性能指标上达到最佳平衡。这种设计策略不仅提高了材料的综合性能，还为其在实际应用中的稳定性提供了保障。同时，该研究还展示了如何通过材料改性和工艺优化，克服传统材料在实际应用中的局限性，为未来柔性电子材料的发展提供了重要的参考。

在总结本研究的意义时，可以发现，该工作不仅在材料科学领域取得了重要进展，还对相关技术的应用产生了深远影响。通过构建一种兼具高透明度、低电阻、高效焦耳加热和良好电磁屏蔽性能的复合薄膜，研究团队为柔性电子设备的开发提供了新的解决方案。这种材料的出现，有望推动新一代智能设备的发展，使其在保持高性能的同时，具备更好的环境适应性和使用寿命。此外，该研究也为材料科学和工程领域的后续研究提供了新的思路和方法，激励更多研究者探索类似多层复合结构的潜力，以满足不断增长的电子设备需求。

综上所述，本研究通过创新性的材料设计和工艺优化，成功开发出一种具有优异性能的多层复合透明导电薄膜。该材料不仅克服了AgNWs在实际应用中的稳定性问题，还通过引入CA-SWCNTs和AZO层，实现了导电性、热传导性和电磁屏蔽性的协同提升。这种材料的出现，标志着柔性电子材料在性能和应用范围上的重要突破，为未来智能设备的发展提供了坚实的基础。