2022年11月29日，《Nature Communications》在線刊登了北京航空航天大學化學學院程群峰教授課題組的最新研究成果“小片填充和界面交聯協同致密化的超強MXene薄膜”（英譯：Ultrastrong MXene ?lms via the synergy of intercalating small ?akes and interfacial bridging），北京航空航天大學化學學院萬思杰副教授、李響、北大口腔醫院第一門診部陳英博士、北京航空航天大學物理學院劉娜娜博士為第一作者，程群峰教授為通訊作者，北京航空航天大學化學學院為第一完成單位。
輕質高強高分子納米復合材料是解決航空航天領域小型化、輕量化等瓶頸問題的重要材料。碳化鈦納米片具有超高的力學和電學性能以及超低的紅外發射率，是構筑此類高分子納米復合材料的理想基元材料。但由于孔隙的存在，以及碳化鈦層間較弱的界面作用，碳化鈦高分子納米復合材料的力學性能遠低于理論預測值。界面交聯策略雖然可以減少碳化鈦層間的孔隙，然而高分子交聯劑往往阻礙了碳化鈦層間的電子傳遞，降低了復合材料的電學性能。因此，如何構筑兼具力學和電學性能的碳化鈦高分子納米復合材料仍然是一個巨大挑戰。
圖1. SDM薄膜的結構表征和性能：（a）實物圖；（b）聚焦離子束（FIB）切割的斷面掃描電鏡（SEM）照片；（c）卡通結構圖；（d）FIB-SEM三維重構結構；（e）廣角X射線散射圖案（WAXS）和相應的002峰方位角掃描曲線；（f）SDM薄膜與文獻報道碳化鈦薄膜的拉伸強度和楊氏模量
圖2. LM、SM和IDM薄膜的結構和性能對比：（a-c）LM、（d-f）SM和（g-i）IDM薄膜的結構模型、FIB-SEM三維重構結構以及WAXS和相應的002峰方位角掃描曲線；（j）LM、SM和IDM薄膜的拉伸強度、電導率和電磁屏蔽系數
圖3. LM、SM和IDM薄膜的搭接剪切測試：（a）搭接剪切測試示意圖；LM、SM和IDM薄膜的（b）搭接剪切強度和（c）剪切分層斷裂后的表面SEM照片
圖4. LM和SDM薄膜的性能：（a）LM和SDM薄膜的拉伸應力-應變曲線；（b）LM和SDM薄膜在潮濕空氣中儲存10天過程中的電導保持率；LM和SDM薄膜在潮濕空氣中儲存10天前后的（c）電磁屏蔽系數，（d）紅外發射率以及（e）在100度加熱臺上的紅外照片
此外，致密化結構可以阻止氧氣和水分滲入碳化鈦層間，抑制氧化作用，從而有效提升碳化鈦薄膜的穩定性。例如，在潮濕空氣中保存時，SDM薄膜相比于LM薄膜具有更高的電導保持率。由于更優異的導電性能，SDM薄膜（59.9 dB）相比于LM薄膜具有更高的電磁屏蔽系數。在潮濕空氣中儲存10天后，SDM薄膜的電磁屏蔽系數僅下降4.34%，遠低于LM薄膜的電磁屏蔽系數下降率（16.2%）。SDM薄膜的紅外發射率略高于LM薄膜，可能是由于SDM薄膜具有較低的納米片取向度。然而，在潮濕空氣中儲存10天后，SDM薄膜的紅外發射率明顯低于LM薄膜，同時，其在同一熱臺上的輻射溫度變化較小，這表明SDM薄膜具有更穩定的紅外熱偽裝性能。
這項開創性研究成果對高分子納米復合材料致密化組裝具有里程碑式的意義，其核心是揭示了不同尺寸納米片對高分子納米復合材料微觀結構的影響規律，顛覆了大片有利于高性能組裝的傳統認知，并在此基礎上，進一步開發了小片填充和界面交聯協同致密化策略，為其他二維納米片的高性能組裝提供了新的啟示。
該論文的原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35226-0
程群峰教授的課題組網站鏈接：http://chengresearch.net/zh/home-cn/
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