一篇《AFM》综述看透MXenes电磁屏蔽研究的前世今生
图1. 2D MXenes在电磁屏蔽领域的结构设计及文章发表情况
图2. 入射电磁波与不同结构之间的相互作用,a)致密膜,b)层层堆积形貌,c)多孔结构和d)隔离结构。内部散射仅发生在层层组装,多孔和隔离结构中。
1. MXene层压和复合材料
图3. Ti3C2Tx MXene/海藻酸钠(SA) 薄膜的EMI屏蔽性能(Science 2016, 353, 1137)
Yury等采用真空辅助过滤的方法制备了微米厚度的Ti3C2Tx/SA多层膜。Ti3C2Tx、Mo2TiC2Tx和Mo2Ti2C3Tx的电导率分别为5000、120和300 s cm-1,其中Ti3C2Tx表现出最高的EMI屏蔽效能,研究证明电导率是屏蔽中一个关键因素。Ti3C2Tx MXene在X频段(8.2-12.4 GHz)范围内,薄膜平均厚度从1.5微米增加到45微米时EMI SE为48-92 dB,展示出优异的电磁屏蔽性能。
图 4. Ti3C2Tx MXene/AgNW织物的EMI屏蔽性能(Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1905197)
3. 多孔MXenes:泡沫和气凝胶
航空航天,军事和移动电子应用中要求EMI屏蔽材料是轻量级的。多孔MXene泡沫和气凝胶因密度极低而非常适合应用在这些领域中。
图5. Ti3C2Tx MXene发泡薄膜的EMI屏蔽性能(Adv. Mater. 2017, 29, 1702367)
Liu等报道了首款用于轻质和柔性EMI屏蔽应用的Ti3C2TxMXene泡沫。将紧密的MXene膜浸入90°C的水合肼溶液中,水合肼溶液通过毛细作用渗透到MXene层中,并使堆叠的片材膨胀以产生低密度泡沫结构。6μm厚的膜膨胀到60μm后EMI SE从53dB增加到70dB。
图6. Ti3C2Tx MXene/rGO杂化气凝胶的EMI屏蔽性能(ACS Nano 2018, 12, 11193)
Zhao等通过定向冷冻和冷冻干燥制备Ti3C2Tx MXene/还原氧化石墨烯(rGO)气凝胶,以改善MXene气凝胶的尺寸稳定性。将导电的MXene片覆盖在石墨烯片壳上,得到高度致密排列的细胞结构。在MXene含量为0.74 vol%的情况下,2 mm厚的凝胶电导率为10.85 S cm-1,具有50 dB的EMI SE。
4. MXenes隔离结构
电导率高的聚合物复合材料需要的导电填料体积分数也高,这会造成生产成本高、工艺复杂的问题。隔离结构是一种多相结构,导电填料在绝缘聚合物基体内被隔离,能够以低体积分数形成导电网络。导电填料的这种相互连接的网络改善了结构的导电和机械性能,即使在低含量下也可以增强屏蔽能力。
图7. Ti3C2Tx 包聚苯乙烯(PS)纳米复合材料的EMI屏蔽性能(Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1702807)
Sun等合成了具有极低MXene含量的高导电Ti3C2Tx MXene @聚苯乙烯(PS)纳米复合材料。负电性的MXene纳米片通过静电自组装作用包覆在不同粒径大小的正电性的PS球上得到杂化材料,经过热压或冷压得到复合材料。非常低的MXene体积分数(0.26 vol%)下就可以获得导电性,当增加到1.90 vol%时,屏蔽性能可以达到60 dB。
图8. Ti3C2Tx MXene/天然橡胶(NR)的EMI屏蔽性能(Compos. Sci. Technol. 2019, 182,107754)
Luo等使用简单的真空抽滤法制备出不同MXene浓度的高度柔性和可拉伸的Ti3C2Tx MXene /天然橡胶(NR)纳米复合膜。带负电的MXene片和NR胶乳之间的静电排斥作用确保MXene片在NR颗粒之间均匀分布,从而在NR基体中形成连续互通的导电3DMXene网络。在MXene体积分数为6.7 vol%时,厚度为250μm时,EMISE可以达到53.6 dB。
全文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000883