山大刘久荣教授/曾志辉教授和EMPA赵善宇研究员NML: 一种轻质、柔性的MXene/聚酰亚胺多孔复合高性能、多功能电磁屏蔽材料

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近期，山东大学刘久荣教授、曾志辉教授团队和瑞士联邦材料科学与技术研究所（EMPA）的赵善宇研究员团队展开合作，研发了一种轻质、柔性的过渡金属碳化物 (Ti₃C₂ MXene)/聚酰亚胺 (PI) (C-MXene@PI) 多孔复合高性能电磁屏蔽材料，该工作成功发表在微纳材料领域的著名国产期刊《纳微快报》(Nano-Micro Letters)上面。MXene@PI多孔复合材料是通过可扩展的浸涂工艺和化学交联制备的，制备方法简单，可大规模生产。作为高性能电磁屏蔽材料，该复合泡沫完美结合了MXene的超强导电性及PI的微米级空隙结构，在 28.7 至 48.7 mg/cm³ 的密度下表现出令人满意的 X 波段电磁干扰 (EMI) 屏蔽效能 (SE)（22.5 ~62.5 dB），获得了 21,317 dB·cm²/g 的优异表面特定SE。疏水性化学交联剂的选用增加了复合材料的抗氧化性、疏水性、防水性及极低温度下的稳定性。除电磁屏蔽功能外，该复合泡沫还可用作柔性加热器。与由合金板组成的商用加热器相比，其电热性能更为优异，热分布更为均匀，在低电压下具有显著、稳定，且可快速重现的特性。此外，该复合泡沫还可用作压阻传感器，很好地附着/穿戴在人体皮肤表面并展现出良好的传感性能，实现对人体运动进行灵敏可靠的监测。综上所述，该新型多孔复合材料不仅具有优异的电磁屏蔽性能，亦可作为柔性加热器以及可穿戴生物传感器；该材料具备简易且可规模化生产的制造工艺，在下一代柔性电子、航空航天和智能设备中具有广阔的应用前景。

图1. C-MXene@PI多孔复合材料的可规模化制造：(a) MXene片和(b) C-MXene@PI复合泡沫的制备过程示意图；(c) MXene 的TEM(插图为电子衍射图像)和(d) AFM图像；(e, f) 大面积(~ 60 × 60 cm²) C-MXene@PI多孔复合材料在卷曲前后的照片，显示了力学强度和柔性；C-MXene@PI多孔复合材料的(g) 微米大小的孔和(h) 孔壁的SEM图像，以及(i) Ti -、C -、O -和N -元素分布图。
图2. (a) 具有不同浸涂层数的C-MXene@PI复合泡沫在X波段的EMI SE；(b)复合泡沫的密度和电导率与浸涂层数的关系；(c) 不同厚度的16L C-MXene@PI复合泡沫和(d) 弯曲1000次前后的10L和16L复合泡沫表现出良好的屏蔽性能稳定性；(e)复合泡沫的电磁屏蔽性能(SE_T、SE_A和SE_R) 和SSE随样品密度的变化；(f) 实验测试EMI屏蔽性能(SE_T、SE_A和SE_R) 和理论计算值 (Th-SE_T、Th-SE_A和Th-SE_R)的比较；(g) 屏蔽机理示意图；(h) 屏蔽性能比较。图3. C-MXene@PI复合泡沫的电热性能：(a) TGA曲线；(b) 复合泡沫在不同电压下的电热曲线; (c) 24 h电热寿命测试；复合泡沫和商用合金板的(d)稳态温度-输入功率密度曲线和 (e, f)热成像图；电热防冰试验：(g) 无外加电压，(h) 外加电压为8 V。图4. 柔性复合泡沫的压阻传感性能：(a) C-MXene@PI复合泡沫的弯曲诱导拉伸和压缩模式；(b, c) 复合泡沫在不同弯曲角度诱导拉伸下的电阻变化；(d) 复合泡沫在不同弯曲角度诱导压缩下的电阻变化；(e, f) 通过电阻变化检测手指循环弯曲活动；(g, h) 通过电阻变化检测检测手腕循环弯曲活动。

本文通过一种简单，可大规模生产的方法，制备出大面积、轻质且强健、兼具优秀柔性的过渡金属碳化物 (Ti₃C₂ MXene)/聚酰亚胺 (PI) 多孔复合材料。除疏水性、抗氧化性和极端温度稳定性外，由于对构筑单体和微观结构的有效设计，复合泡沫还获得了优异的电磁屏蔽性能。此外，高柔性的复合泡沫表现出优异的电热和压阻传感性能，在下一代柔性电子、航空航天和智能设备领域具有广阔的应用前景。

原文链接：

Porous and Ultra‑Flexible Crosslinked MXene/Polyimide Composites for Multifunctional Electromagnetic Interference Shielding

Zhi‑Hui Zeng*, Na Wu, Jing‑Jiang Wei, Yun‑Fei Yang, Ting‑Ting Wu, Bin Li, Stefanie Beatrice Hauser, Wei‑Dong Yang, Jiu‑Rong Liu*, Shan‑Yu Zhao*

Nano-Micro Lett. (2022) 14:59；

https://doi.org/10.1007/s40820‑022‑00800‑0

作者简介

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刘久荣

本文通讯作者

山东大学 教授

主要研究领域：长期从事电磁仿真技术、电磁功能材料设计和研制、电磁性能测试分析等相关研究；包括：电磁波吸收材料、气敏传感器以及电化学储能材料。

简介：刘久荣教授，山东大学“齐鲁青年学者”特聘教授，博导。长期从事电磁仿真设计技术、吸波材料制备、性能调控及应用研究，2011年入选教育部新世纪优秀人才支持计划，2013年获得山东省自然科学杰出青年基金，2020年被聘为军委科技委173计划首席专家。先后承担军委科技委基础加强计划（173计划）、国家国防重大工程专项、国防基础科研计划、国家自然科学基金等国家及省部科研项目30余项，研究成果在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Nano-Micro Letters等SCI期刊上发表论文150余篇，他引超过6000次，获得授权发明专利30余项。发明专利成果已转化到企业，吸波产品已应用于手机、基站以及笔记本等电子产品中；隐身材料已应用于多个型号装备。担任SCI期刊Adv. Composites Hybrid Mater.编辑，军科委材料组评审专家。

Email: [e-mail]

个人主页：www.cmpc.sdu.edu.cn/info/1017/1011.htm

曾志辉

本文第一/通讯作者

山东大学 教授

主要研究领域：纳米复合材料、电磁屏蔽/吸收材料、柔性电子器件。

简介：山东大学曾志辉教授课题组在电磁屏蔽、微波吸收材料的设计、制备、构筑及应用领域的研究不断取得新的进展。通过探索对不同导电纳米材料及高分子聚合物的制备工艺，原创性地开发了一系列轻质、高效的电磁屏蔽材料;制备各向异性多孔状屏蔽材料，首次证明孔结构形状对屏蔽性能具有重要的影响; 提出归一化面比屏蔽效能SSE/t(材料屏蔽效能除以材料的厚度及密度)参数，为轻量化、高性能化的电磁屏蔽结构及材料设计提供参考。近年来，相关的研究工作发表SCI论文50余篇, 包括以第一作者或通讯作者发表在Nano-Micro Letters，Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., ACS Nano, Small, JMCA, Carbon, ACS AMI等著名国际前沿期刊，SCI论文引用2000余次，ESI高被引论文4篇，单篇最高引用500余次；受邀参加Elsevier出版社专著2章；申请、授权国际国内发明专利10余项。担任国际知名学术期刊Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Small, Carbon, Composite Part A, Sensors, Nanomaterials等审稿人或客座编辑, 中国复合材料学会高级会员, 中国化学会会员，山东省复合材料学会会员，《包装工程》杂志首届青年编委委员；多次受邀参加相关领域国际国内学术会议的大会及主题报告。

Email: [e-mail] 

赵善宇

本文通讯作者

瑞士联邦材料科学与技术国家实验室 高级研究员

主要研究领域：多孔材料气凝胶，及其热管理与传感应用。

简介：瑞士联邦材料科学与技术国家实验室功能材料系，永久职位高级研究员。主持或合作主持了瑞士联邦及欧盟多项项目。2012年以来以第一作者或通讯作者发表气凝胶相关主题论文60余篇，包括Nature、Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Angewandte Chemie等高影响力期刊。近五年（2016年至今），论文被引用1600余次，近5年H-index 18。授权欧盟及国际发明专利3项。受邀担任高声誉期刊ASC Nano, Advanced Science, Progress in Materials Science, Chemistry of Materials, Nanoscale的审稿人。在最新再版的气凝胶手册（2022年版）中，作为主要编著者之一，负责“硅酸钠基气凝胶”，“生物聚合物-二氧化硅气凝胶纳米复合材料”和“气凝胶工业化”等章节的撰写工作。

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