陕科大马忠雷副教授和西工大顾军渭教授在柔性高强MXene基多功能电磁屏蔽材料方面取得新进展

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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。

本研究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Ti₃C₂T_x 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Ti₃C₂T_x 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110℃，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。

图1 双层结构ANF-MXene/AgNW复合薄膜的制备示意图及微观形貌

图2 双层结构ANF-MXene/AgNW复合薄膜的电学、力学和电磁屏蔽性能

图3 双层结构ANF-MXene/AgNW复合薄膜的电发热性能

相关研究成果以“Ultraflexible and Mechanically Strong Double-Layered Aramid Nanofiber-Ti₃C₂T_x MXene/Silver Nanowire Nanocomposite Papers for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding”为题发表在ACS Nano期刊上（ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c02401）。陕西科技大学为论文的第一完成单位，陕西科技大学马忠雷副教授为第一作者兼通讯作者，陕西科技大学马建中教授、西北工业大学顾军渭教授为共同通讯作者。此研究工作得到国家自然科学基金（51903145、51973173）、陕西省自然科学基础计划杰出青年基金项目（2019JC-11）、陕西省自然科学基础研究计划（2018JQ5060）、陕西省教育厅专项科研计划项目（17JK0100）和咸阳市重大科技专项计划（2018k01-46）等的支持。

论文信息：

Zhonglei Ma*, Songlei Kang, Jianzhong Ma*, Liang Shao, Yali Zhang, Chao Liu, Ajing Wei, Xiaolian Xiang, Linfeng Wei, and Junwei Gu*. Ultraflexible and Mechanically Strong Double-Layered Aramid Nanofiber-Ti3C2Tx MXene/Silver Nanowire Nanocomposite Papers for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding. ACS Nano 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c02401. (2019IF=14.588)

论文链接：

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

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