马忠雷副教授/顾军渭教授ACS NANO：柔性高强MXene基多功能电磁屏蔽材料- 大数跨境

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马忠雷副教授/顾军渭教授ACS NANO：柔性高强MXene基多功能电磁屏蔽材料

科学材料站

2020-08-05

导读：本文通过简便高效的两步真空辅助抽滤热压成型法设计开发了一种柔性高强双层结构芳纶纳米纤维-Ti3C2Tx MXene/银纳米线复合多功能电磁屏蔽薄膜。文中详细研究了双层结构和均匀混合复合薄膜的微观结构、

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柔性高强双层结构芳纶纳米纤维-Ti3C2Tx MXene/银纳米线复合电磁屏蔽材料薄膜

作者：马忠雷*，康松磊，马建中*，邵亮，张亚莉，刘超，魏阿静，向小莲，卫林峰，顾军渭*

单位：陕西科技大学，西北工业大学

背景简介

随着电子与通讯设备高功率化、高密度化和高集成化技术的迅猛发展，由电磁波引起的电磁辐射、电磁干扰和信息泄露等问题日益严重，同时对人体健康造成严重威胁。为保障精密电子元器件的运行可靠性和信息安全性，保护人体健康，需使用高效的电磁屏蔽材料衰减电磁波能量。尤其是随着第五代（5G）和第六代（6G）通讯技术的快速发展和广泛应用，相关领域对电磁屏蔽材料提出了更高的要求。

MXenes是一类新型二维（2D）过渡金属碳化物和/或氮化物纳米材料，具有优异的金属导电性、亲水性并且与聚合物之间具有良好的界面相互作用，被广泛应用于轻质高效电磁屏蔽材料的开发。然而，MXene基电磁屏蔽材料较低的柔韧性和力学性能严重限制了该材料在航空航天、军事工程、人工智能和柔性可穿戴电子设备等领域的应用。

通过引入聚合物或有机纳米纤维是增强MXene基电磁屏蔽材料的有效途径，但同时增大了相邻MXene片层之间的接触电阻，因而难以兼顾MXene基电磁屏蔽材料的柔韧性、高电磁屏蔽效能和高力学性能。

文章介绍

近日，陕西科技大学马忠雷副教授联合西北工业大学顾军渭教授在国际TOP期刊ACS Nano(影响因子：14.588)上发表题为“Ultraflexible and Mechanically Strong Double-Layered Aramid Nanofiber-Ti3C2Tx MXene/Silver Nanowire Nanocomposite Papers for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding”的研究工作。

在这项研究工作中，作者采用简便高效的两步真空辅助抽滤（TVAF）-热压成型法，设计开发了一种基于高导电Ti3C2Tx MXene、银纳米线（AgNWs）和芳纶纳米纤维（ANFs）的柔性高强多功能电磁屏蔽复合薄膜。所得双层结构ANF-MXene/AgNW电磁屏蔽复合薄膜中，MXene/AgNWs和ANFs分别作为高效导电层和高性能聚合物增强层，使电磁屏蔽复合薄膜兼具良好的柔韧性、优异的力学性能、高电导率、突出的宽频电磁屏蔽性能和热管理性能等特性。

由于Ti3C2Tx MXene表面的羟基（-OH）与ANFs及银纳米线之间均能形成氢键作用，从而使ANF增强层与MXene/AgNW导电层之间具有良好的界面结合作用，复合薄膜表现出优异的柔韧性和力学性能。当MXene/AgNW含量仅为20 wt%时，复合薄膜的拉伸强度和断裂伸长率分别达到235.9 MPa和24.8%，电磁屏蔽效能（EMI SE）达到48.1 dB，EMI SE/t达到10688.9 dB·cm-1。当MXene/AgNW含量为80 wt%时，复合薄膜的电导率和EMI SE分别最高达到3725.6 S·cm-1和~80 dB。电磁屏蔽机制以电磁波吸收为主导，包括MXene/AgNW导电层的电导损耗、MXene片层间的多重内部反射损耗和局部偶极子的极化损耗等。

此外，双层结构复合薄膜还表现出优异的快速响应焦耳电发热性能，在2.5V低外施电压下复合薄膜的发热温度可达到115℃，且在空气中长时间发热、反复弯折等条件下都保持良好的电发热稳定性。此项工作为柔性高强多功能电磁屏蔽复合材料的设计开发提供了一种简便高效的方法，所得柔性高强多功能电磁屏蔽复合材料在航空航天、军事工程、人工智能和柔性可穿戴电子设备等领域具有良好的应用潜力。

该文章的第一作者和通讯作者为陕西科技大学马忠雷副教授，陕西科技大学马建中教授和西北工业大学顾军渭教授为本文共同通讯作者。

要点解析

要点一：通过两步真空辅助抽滤（TVAF）-热压成型法制备双层结构ANF-MXene/AgNW电磁屏蔽复合薄膜，并对ANFs、Ti3C2Tx MXene和AgNWs之间的氢键进行表征

图1 双层结构ANF-MXene/AgNW复合电磁屏蔽薄膜的制备与微观结构。

（a）双层结构ANF-MXene/AgNW复合电磁屏蔽薄膜的制备与结构示意图；

（b-g）双层结构和均匀混合ANF-MXene/AgNW复合电磁屏蔽薄膜的光学图片及表面、断面SEM图。

图2 ANFs、Ti3C2Tx MXene和AgNWs之间的氢键。

（a）ANFs、Ti3C2Tx MXene和MXene/ANF复合薄膜的FTIR光谱图；

（b）AgNWs、Ti3C2Tx MXene和MXene/AgNW复合薄膜的FTIR光谱图；

（c）Ti3C2Tx MXene、MXene/ANF和MXene/AgNW复合薄膜的XPS宽扫描光谱图；

（d）MXene、MXene/ANF和MXene/AgNW复合薄膜的O 1s高分辨率XPS光谱图；

（e）ANFs和MXene/ANF复合薄膜的C 1s高分辨率XPS光谱图；

（f）AgNWs和MXene/AgNW复合薄膜的C 1s高分辨率XPS光谱图。

要点二：双层结构ANF-MXene/AgNW电磁屏蔽复合薄膜的电性能、力学性能和电磁屏蔽性能

图3 双层结构ANF-MXene/AgNW电磁屏蔽复合薄膜的宏观性能。

（a-b）双层结构和均匀共混复合薄膜的XRD曲线与电导率；

（c）双层结构复合薄膜的柔韧性及承载500 g砝码时的数码照片；

（d）双层结构复合薄膜在反复弯曲—拉伸时的电阻稳定性；

（e-f）双层结构复合薄膜的拉伸应力-应变曲线及拉伸强度与断裂应变；

（g-h）双层结构复合薄膜的电磁屏蔽性能；

（i）双层结构复合薄膜的电磁屏蔽性能与之前工作的对比。

要点三：双层结构ANF-MXene/AgNW电磁屏蔽复合薄膜的电发热性能

图4 双层结构ANF-MXene/AgNW复合薄膜的电发热性能.

（a）MXene/AgNW含量为20 wt％的双层结构复合薄膜的电发热温度随时间变化；

（b）电发热饱和温度与U2的线性拟合；

（c）双层结构复合薄膜弯曲状态下的红外热成像图片；

（d）双层结构复合薄膜的表面发热温度随梯度外施电压的变化；

（e）双层结构复合薄膜在2 V恒定电压下的长时间电发热曲线。

结论

这项工作通过简便高效的两步真空辅助抽滤（TVAF）-热压成型法设计开发了一种柔性高强双层结构芳纶纳米纤维-Ti3C2Tx MXene/银纳米线（ANF-MXene/ AgNW）复合多功能电磁屏蔽薄膜。文中详细研究了双层结构和均匀混合复合薄膜的微观结构、电导率、力学性能、电磁屏蔽和热管理性能。

结果表明所得双层结构复合薄膜兼具良好的柔韧性、优异的力学性能、高电导率、突出的宽频电磁屏蔽性能和热管理性能等特性。高效的三维MXene/AgNW导电网络使双层结构复合薄膜具有极高的电导率且在反复弯曲—拉伸时显示出良好的电阻稳定性。

Ti3C2Tx MXene与ANFs及银纳米线之间的氢键作用使ANF增强层与MXene/AgNW导电层之间具有良好的界面结合作用，赋予复合薄膜优异的柔韧性和力学性能。复合薄膜的电磁屏蔽机制以电磁波吸收为主导，包括MXene/AgNW导电层的电导损耗、MXene片层间的多重内部反射损耗和局部偶极子的极化损耗等。

当MXene/AgNW含量仅为20 wt%时，复合薄膜的拉伸强度和断裂伸长率分别达到235.9 MPa和24.8%，电磁屏蔽效能（EMI SE）达到48.1 dB，EMI SE/t达到10688.9 dB·cm-1。当MXene/AgNW含量为80 wt%时，复合薄膜的电导率和EMI SE分别最高达到3725.6 S·cm-1和~80 dB。

此外，MXene/AgNW含量仅为20 wt％的双层结构复合薄膜还表现出优异的快速响应焦耳电发热性能，在2.5V低外施电压下复合薄膜的发热温度可达到115℃，响应时间小于15s，且在空气中长时间发热、反复弯折等条件下都保持良好的电发热稳定性。所开发的柔性高强多功能电磁屏蔽复合薄膜可供孕妇使用以提供舒适的温度并防止电磁波辐射，也可供专业技术人员使用以保障精密电子设备抗辐射干扰并在低温环境下正常工作。

此项工作为柔性高强多功能电磁屏蔽与热管理复合材料的设计开发提供了一种简便高效的策略，在航空航天、军事工程、人工智能和柔性可穿戴电子设备等领域具有良好的应用潜力。

文章链接:

Ultraflexible and Mechanically Strong Double-Layered Aramid Nanofiber-Ti3C2Tx MXene/Silver Nanowire Nanocomposite Papers for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02401

老师简介:

马忠雷，工学博士，陕西科技大学副教授，硕士生导师。2010年本科毕业于西北工业大学高分子材料与工程专业（本科直博），2015年获得西北工业大学材料学工学博士学位，目前就职于陕西科技大学化学与化工学院高分子材料与工程系，主要从事高性能聚合物基泡沫材料与功能性聚合物基复合材料研究方向。目前主持国家自然基金项目、陕西省自然科学基础研究计划项目、陕西省教育厅项目等项目4项，以第一作者和通讯作者在ACS Nano、Nanoscale、Composites Part A等国际、国内权威学术期刊发表论文20余篇，1篇论文入选ESI高被引论文，授权和公开国家发明专利6件。ACS Applied Materials & Interfaces、Nanoscale、Macromolecules、Applied Materials Today、Composites Part A和Composites Part B等期刊审稿人。