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    瑞士EMPA曾志輝團隊《Adv. Sci.》: 超細納米纖維素CNF結合MXene構筑仿生、超輕、靈活可調且高效電磁屏蔽氣凝膠
    2020-07-24  來源:高分子科技

      瑞士聯邦聯邦材料科學與技術研究室(EMPA)曾志輝(Zhihui Zeng)博士研究員團隊設計了一種具備超輕仿生且具有優異屏蔽效應和良好機械柔韌性的屏蔽氣凝膠材料,這種材料密度只有1.5至8.0 mg/cm3,兼具有優秀的屏蔽效能(SE), 其EMI屏蔽效果分別可達到35.5 和74.6 dB。歸一化表面的屏蔽效能SSE(材料屏蔽效能除以材料的厚度及密度)能達到189400 dB cm2/g,大大超過了迄今為止報道的其他大部分EMI屏蔽材料。該工作利用超薄纖維素納米纖維(CNF)來協同構建具有定向仿生孔壁的超低密度MXenes氣凝膠,且首次揭示了定向孔壁與入射EM波電場方向之間的角度對EMI屏蔽性能有著顯著影響,提出了一種新穎的微結構設計策略。


      電磁屏蔽(EMI)在便攜式電子設備、無線通信、航空航天、軍事和醫療設備領域至關重要,是保證設備正常運轉不可或缺的手段。隨著新型電子器件的發展,迫切需要輕量化、柔韌性好、EMI性能好的材料。針對這種需求,研究者已經開發了眾多功能性導電納米復合材料或組件,如基于碳納米管(CNT)、石墨烯、過渡金屬碳化物(MXene)和金屬納米纖維的材料。其中,在自支撐的EMI材料中引入多孔結構,通過增加入射電磁波的反射次數可以有效提高屏蔽效能(SE),這種做法越來越受到人們的青睞。曾志輝團隊率先設計各向異性多孔狀屏蔽泡沫(Adv. Funct. Mater. 2016, 26 (2), 303-310, Small, 2017, 13 (34), 1701388),首次證明孔結構形狀對屏蔽性能具有重要的影響,為后來大量研發該類電磁屏蔽材料提供了基礎。同時該團隊提出歸一化表面的屏蔽效能SSE(材料屏蔽效能除以材料的厚度及密度)參數(Carbon,2016,96, 768-777, Adv. Funct. Mater. 2016, 26 (2), 303-310),充分有效對電磁屏蔽材料輕量化性能進行定量化比較,在該領域受到廣大研究者的采納。然而如何設計更多多孔結構,更深入了解電磁波與多孔結構的相互作用,同時如何有效的提高材料屏蔽性能SE及SSE一直是研究者面臨的巨大挑戰。


      曾志輝團隊基于以上現狀,利用天然高分子纖維素纖維,成功制備了穩定的CNF分散體,這些CNF的帶有大量親水性基團,可以和MXene均勻混合在水中而無需添加其他表面活性劑,同時這些CNF 具有超細尺寸(平均直徑只有1.4nm),不僅能夠有效的組裝MXene形成具有貝殼類似的“磚-泥”仿生結構,提高材料力學性能,是的材料具有更低密度,還能最小化MXene片層之間的接觸電阻,提高材料導電性能, CNF在氣凝膠制造過程中還可以作為有效的結構導向劑,從而形成定向互連的MXene混合孔壁,設計獲得類蜂窩仿生結構的各向異性多孔結構。該團隊進一步通過有效調控納米纖維素含量,孔隙率大小,及取向孔壁與入射電磁波電磁方向等靈活有效的調節了電磁屏蔽性能,最終實現超低密度,高電磁屏蔽性能的仿生氣凝膠,為其它相關研究提供了重要參考。改工作近期以題為“Nanocellulose-MXene Biomimetic Aerogels with Orientation-Tunable Electromagnetic Interference Shielding Performance”的論文發表在《Advanced Science》上。該工作得到瑞士聯邦聯邦材料科學與技術研究室(EMPA)張傳芳團隊支持及幫助。


    圖1. 仿生氣凝膠制備過程及結構表征圖。


    圖2. 仿生氣凝膠屏蔽調控策略。


    圖3. 仿生氣凝膠電磁屏蔽性能及比較。


      瑞士聯邦聯邦材料科學與技術研究室(EMPA)曾志輝博士團隊,利用MXene的內在特性、結構以及CNF和MXene納米片之間的相互作用,設計出一種超低密度、柔韌性好的CNF/MXene仿生氣凝膠,具有超高電磁屏蔽性能。該氣凝膠通過仿生策略,由取向的、完整的孔壁構成。其優異的EMI屏蔽效果取決于構筑單元相互作用及取向的孔壁與電磁波電場之間的夾角。這種超輕型氣凝膠表現出的屏蔽性能遠遠超過了在其他文獻中報道的大部分EMI屏蔽材料,使得具有極高EMI屏蔽性能的MXene/CNF復合材料在電子器件中的進一步應用成為可能。


      原文鏈接:

      Zhihui Zeng, Changxian Wang, Gilberto Siqueira, Daxin Han, Anja Huch, Sina Abdolhosseinzadeh, Jakob Heier

    Frank Nüesch, Chuanfang (John) Zhang, Gustav Nystr?m , Nanocellulose‐MXene Biomimetic Aerogels with Orientation‐Tunable Electromagnetic Interference Shielding Performance,  Advanced Science, 2020, 2000979

      https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202000979


    作者介紹:


      近年來,瑞士聯邦理工學院聯邦材料研究所曾志輝博士在電磁屏蔽材料的設計、制備、構筑及應用領域的研究不斷取得新的進展。通過探索對不同導電納米材料及高分子聚合物的制備工藝,原創性地開發了一系列輕質,高效的電磁屏蔽材料,包括首次制備各向異性多孔狀屏蔽材料,證明孔結構形狀對屏蔽性能具有重要的影響(Adv. Funct. Mater. 2016, Small, 2017),提出歸一化表面的屏蔽效能SSE(材料屏蔽效能除以材料的厚度及密度)概念,充分有效對電磁屏蔽材料輕量化性能進行定量化比較,(Carbo 2016, Adv. Funct. Mater. 2016), 為電磁屏蔽領域的研究提供了許多重要參考。這些相關的研究工作以第一作者或通訊作者發表在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., ACS Nano, Small, JMCA, ACS AMI, Carbon等著名國際前沿期刊,SCI論文引用1000余次。目前該團隊誠邀有志青年加入,共同發展。

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