南京工业大学冯永宝和李秋龙教授团队：构建具有多个非均质界面的多孔导热复合膜以增强电磁屏蔽性能- 大数跨境

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南京工业大学冯永宝和李秋龙教授团队：构建具有多个非均质界面的多孔导热复合膜以增强电磁屏蔽性能

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2025-07-08

导读：构建具有多个非均质界面的多孔导热复合膜以增强电磁屏蔽性能

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文章信息

构建具有多个非均质界面的多孔导热复合膜以增强电磁屏蔽性能

第一作者：丁晓笑

通讯作者：李秋龙教授、冯永宝教授

单位：南京工业大学材料科学与工程学院

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研究背景

随着便携式电子设备普及与第五代通信技术飞速发展，其高频运行产生的电磁波（EMWs）辐射不仅引发严重电磁干扰，高功率密度带来的设备内部热量积聚还会严重影响电子元件的性能与寿命，甚至存在安全隐患。传统金属屏蔽材料因表面阻抗失配引发电磁波二次反射污染，且存在成本高、加工性差、易腐蚀等问题，应用受限，因此亟需开发轻量化、易加工且兼具优异导电性、导热性及高吸收型电磁屏蔽（EMI）性能的材料。Ti₃C₂Tx MXene 作为一类新兴二维材料，凭借独特的结构与优异性能，在EMI及热管理领域展现出广阔应用前景。然而，其自身高导电性易引发阻抗失配，且二维纳米片在成膜过程中易发生自堆积，不仅加剧EMWs二次反射，还会削弱其电磁波衰减能力，这些问题制约了其进一步发展。因此，设计高吸收效率的MXene基复合材料已成为当前该领域的研究焦点。

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文章简介

基于此，来自南京工业大学冯永宝和李秋龙教授团队在《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》期刊发表名为“Constructing porous thermally conductive composite film with multiple heterogeneous interfaces for enhanced electromagnetic shielding performance”的论文。研究表明，引入一维（1D）填料PPy NTs可以显著提升复合膜的导电性、导热性和机械性能。引入磁性纳米颗粒可以丰富复合膜内部的非均质界面，进而促进电磁波能量的耗散。通过K⁺离子诱导和冷冻干燥的方法构造多孔结构，结合1D PPy NTs和多层核壳磁性FCP纳米颗粒的协同作用，可显著提高电导率、热导率和机械性能。得益于这种具有多个非均相界面的三维多孔（3D）结构，极大地增强了电磁波的多重耗散，从而提高了电磁干扰（EMI）屏蔽性能。所获得的多孔MPFCP₂复合薄膜在厚度仅为83.50 μm，且PPy NTs和FCP纳米颗粒含量仅分别为5 wt%和2 wt%的情况下，即可展现出63.57 dB的卓越的电磁干扰屏蔽效能（SE），良好的SEA吸收占比（68.8%），并具有高比电磁干扰屏蔽效能（6145 dB cm2 g^-1），显著提高的机械性能（6.24 MPa）以及突出的热导率（7.92 W m^-1 K^-1）。这种MPFCP₂多孔复合膜具有出色的电磁干扰屏蔽性能、优越的导热性能和显著提高的机械强度。因此，它在电磁干扰屏蔽和热管理系统等领域的应用具有重要的前景。

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本文要点

要点一：通过K⁺离子诱导和冷冻干燥策略成功制备了MXene/PPy nanotubes/MIL-101（Fe）@ZIF-67@PPy三维多孔复合薄膜。

传统真空辅助过滤法处理MXene溶液时，不仅过滤速度较慢，还易导致MXene纳米片发生自堆叠最终形成致密薄膜。为此，我们开发了一种结合冷冻干燥的离子诱导多孔制备方法，可高效制备3D多孔复合膜：通过离子诱导过滤，MXene 溶液能被快速抽滤并迅速形成水凝胶，随后经液氮快速预冻与冷冻干燥，即可得到 MXene 基多孔膜。这种3D多孔结构能为电磁波在材料内部的反射提供更多界面，从而有效增强MXene多孔膜的EMI屏蔽性能。

要点二：低含量的PPy NTs和FCP纳米颗粒实现高电磁干扰屏蔽性能和高导热性。

通过引入高导电或磁性填料优化复合膜的EMI屏蔽性能是当前的常规策略，但传统方案存在显著局限：多数高导电填料力学性能欠佳，且难以在基体中形成连续导电通路，需较高填充量起效；传统磁性材料则易发生团聚，单一磁损耗机制难以实现电磁波的高效衰减，往往依赖高负载量。针对上述问题，本研究设计的PPy NT作为1D导电聚合物纳米材料，凭借其独特的管状形貌，可在复合材料中高效构建3D导电网络，为电子传输提供连续通路以提升体系导电性，同时通过氢键作用与MXene纳米片结合，协同提升复合膜的力学强度与热传导效率。多层核壳磁性FCP纳米颗粒具有多级核壳异质结构，其内核与壳层的磁性单元可贡献显著磁损耗，且多级异质界面能强化界面极化效应，进一步增强电磁波衰减能力，同时核壳结构可有效抑制颗粒团聚。两种组分协同作用下，仅需低负载量即可显著提升复合膜的EMI屏蔽效能与吸收比，同时降低电磁波二次反射污染。

要点三：超薄复合膜具有超高电磁屏蔽性能和绝对电磁屏蔽效率以及热导率。

得益于3D多孔结构可以极大的增强电磁波的多重耗散，以及1D PPy NTs和多层核壳磁性FCP纳米颗粒这种独特的结构所提供的大量电子和界面，制备出的MPFCP₂多孔复合薄膜在厚度仅为83.50 μm，且PPy NTs和FCP纳米颗粒含量仅分别为5 wt%和2 wt%的情况下，即可展现出63.57 dB的卓越的电磁干扰屏蔽效能（SE），良好的SEA吸收占比（68.8%），具有高比电磁干扰屏蔽效能（6145 dB cm² g^-1），显著提高的机械性能（6.24 MPa）以及突出的热导率（7.92 W m^-1 K^-1）。这种MPFCP₂多孔复合膜具有出色的电磁干扰屏蔽性能、优越的导热性能和显著提高的机械强度。这种多孔MPFCP₂复合薄膜表现出优异的电磁干扰屏蔽和热传输性能，在电磁干扰屏蔽和热管理系统等领域的应用具有重要的前景。

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图文导读

图1 不同样品的制备示意图。（a）Ti₃C₂Tx MXene。（b）FCP纳米颗粒。（c）多孔MPFCP复合薄膜。

图2 （a）MXene纳米片的TEM和（b）AFM图像。（c）Ti₃C₂Tx MXene和Ti₃AlC₂ MAX的XRD谱图。（d）MIL-101（Fe），（e）FC，FCP（f）纳米颗粒的SEM图像。单个FCP纳米颗粒（g）TEM，（h）HRTEM，（i）以及对应的EDS元素映射图像。

图3 （a）MP0，（b）MP_2.5，（c）MP₅，（d）MFCP1，（e）MFCP₂，（f）MFCP₃，（g）MPFCP₁，（h）MPFCP₂，（i）MPFCP₃的SEM横截面图像。MPFCP₂对应的（j）钛、（k）铁、（l）钴EDS元素映射图。

图4 （a）MIL-101（Fe）、FC、FCP、PPy NT和MPFCP₂的XRD谱图。（b）MP0、PPy NTs、MP5和MPFCP₂的FT-IR光谱。（c）MP0、MP5和MPFCP₂的XPS全谱。MP0、MP5和MPFCP₂高分辨率的Ti 2p（d），O 1s（e），C 1s（f），N 1s（g），Fe 2p（h）和Co 2p（i）XPS光谱。

图5 （a）MPX（红色表示）在不同PPy NTs浓度下的电导率，以及MFCPY（蓝色表示）在不同FCP浓度下的电导率。（b）不同FCP浓度下MPFCPY的电导率。（c）MPX在x波段的EMI SE。（d）MPX的SET、SEA和SER的平均值。（e）MFCPY在x波段的EMI SE。（f）MFCPY的SET、SEA和SER的平均值。（g）MPFCPY在x波段的EMI SE。（h）MPFCPY的SET、SEA和SER的平均值。（i）MPFCPY的平均吸收比（SEA/SET）。（j）雷达图直观地比较各种工作的性能。（k）用于电磁干扰屏蔽的MPFCP₂复合膜的数码照片。

图6 （a）MPFCP多孔复合膜屏蔽电磁干扰机理示意图。PPy-ZIF-67（b）和PPy-Ti₃C₂Tx MXene（c）界面处的电荷密度差。PPy-ZIF-67（d）和PPy-Ti₃C₂Tx MXene（e）界面处的Bader电荷。

图7 MPX复合膜（a）、MFCPY复合膜（b）和MPFCPY复合膜（c）的热导率。（d）MP0、MP5、MFCP₂和MPFCP₂复合膜随时间变化的表面温度热成像图。（e）本研究制备的复合膜与已报道的导热材料的热导率对比。

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文章链接

Constructing Porous Thermally Conductive Composite Film with Multiple Heterogeneous Interfaces for Enhanced Electromagnetic Shielding Performance

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2025.109154

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通讯作者简介

李秋龙，博士，教授，2020年10月以海外高层次人才C类计划入职南京工业大学材料科学与工程学院。一直聚焦于新型水系电化学储能系统、锂/钠离子电池、电磁屏蔽与吸波材料前沿方向，在高性能电化学储能材料及高效电磁屏蔽和吸波材料的设计与可控制备等方面取得了系统性成果。以第一/通讯作者发表学术论文50余篇，包括Advanced Functional Materials、Advanced Science、Nano Letters、Energy Storage Materials、Small、Carbon、Journal of Colloid And Interface Science、Composites Part B、Journal of Materials Chemistry A、Composites Part A、Science Bulletin、Nano Research、Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Chemistry C、Materials Today Energy、ACS Applied Materials & Interfaces等，5篇入选Web of Science高被引论文，总被引4100余次（H-index为37），授权国家发明专利2项。主持国家自然科学基金、国家博士后基金、江苏省博士后基金、南京工业大学人才科研启动项目、产学研项目。担任Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Small、J. Mater. Chem. A等国际期刊审稿人。