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    陜科大馬忠雷副教授和西工大顧軍渭教授在柔性高強MXene基多功能電磁屏蔽材料方面取得新進展
    2020-07-13  來源:高分子科技

      隨著電子與通訊設備高功率化、高密度化和高集成化技術的迅猛發展,由電磁波引起的電磁輻射、電磁干擾和信息泄露等問題日益嚴重,同時對人體健康造成嚴重威脅。為保障精密電子元器件的運行可靠性和信息安全性,保護人體健康,需使用高效的電磁屏蔽材料衰減電磁波能量。尤其是隨著第五代(5G)和第六代(6G)通訊技術的快速發展和廣泛應用,相關領域對電磁屏蔽材料提出了更高的要求。MXenes是一類新型二維(2D)過渡金屬碳化物和/或氮化物納米材料,具有優異的金屬導電性、親水性并且與聚合物之間具有良好的界面相互作用,被廣泛應用于輕質高效電磁屏蔽材料的開發。然而,MXene基電磁屏蔽材料較低的柔韌性和力學性能嚴重限制了該材料在航空航天、軍事工程、人工智能和柔性可穿戴電子設備等領域的應用。通過引入聚合物或有機納米纖維是增強MXene基電磁屏蔽材料的有效途徑,但同時增大了相鄰MXene片層之間的接觸電阻,因而難以兼顧MXene基電磁屏蔽材料的柔韌性、高電磁屏蔽效能和高力學性能。


      本研究采用簡便高效的兩步真空輔助抽濾(TVAF)-熱壓成型法,設計開發了一種基于高導電Ti3C2Tx MXene、銀納米線(AgNWs)和芳綸納米纖維(ANFs)的柔性高強多功能電磁屏蔽復合薄膜。所得雙層結構ANF-MXene/AgNW電磁屏蔽復合薄膜中,MXene/AgNWs和ANFs分別作為高效導電層和高性能聚合物增強層,使電磁屏蔽復合薄膜兼具良好的柔韌性、優異的力學性能、高電導率、突出的寬頻電磁屏蔽性能和熱管理性能等特性。由于Ti3C2Tx MXene表面的羥基(-OH)與ANFs及銀納米線之間均能形成氫鍵作用,從而使ANF增強層與MXene/AgNW導電層之間具有良好的界面結合作用,復合薄膜表現出優異的柔韌性和力學性能。當MXene/AgNW含量僅為20 wt%時,復合薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率分別達到235.9 MPa和24.8%,電磁屏蔽效能(EMI SE)達到48.1 dB,EMI SE/t達到10688.9 dB·cm-1。當MXene/AgNW含量為80 wt%時,復合薄膜的電導率和EMI SE分別最高達到3725.6 S·cm-1和~80 dB。電磁屏蔽機制以電磁波吸收為主導,包括MXene/AgNW導電層的電導損耗、MXene片層間的多重內部反射損耗和局部偶極子的極化損耗等。此外,雙層結構復合薄膜還表現出優異的快速響應焦耳電發熱性能,在2.5V低外施電壓下復合薄膜的發熱溫度可達到110℃,且在空氣中長時間發熱、反復彎折等條件下都保持良好的電發熱穩定性。此項工作為柔性高強多功能電磁屏蔽復合材料的設計開發提供了一種簡便高效的方法,所得柔性高強多功能電磁屏蔽復合材料在航空航天、軍事工程、人工智能和柔性可穿戴電子設備等領域具有良好的應用潛力。


    圖1 雙層結構ANF-MXene/AgNW復合薄膜的制備示意圖及微觀形貌


    圖2 雙層結構ANF-MXene/AgNW復合薄膜的電學、力學和電磁屏蔽性能


    圖3 雙層結構ANF-MXene/AgNW復合薄膜的電發熱性能


      相關研究成果以“Ultraflexible and Mechanically Strong Double-Layered Aramid Nanofiber-Ti3C2Tx MXene/Silver Nanowire Nanocomposite Papers for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding”為題發表在ACS?Nano期刊上(ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c02401)。陜西科技大學為論文的第一完成單位,陜西科技大學馬忠雷副教授為第一作者兼通訊作者,陜西科技大學馬建中教授、西北工業大學顧軍渭教授為共同通訊作者。此研究工作得到國家自然科學基金(51903145、51973173)、陜西省自然科學基礎計劃杰出青年基金項目(2019JC-11)、陜西省自然科學基礎研究計劃(2018JQ5060)、陜西省教育廳專項科研計劃項目(17JK0100)和咸陽市重大科技專項計劃(2018k01-46)等的支持。


      論文信息: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)


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

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