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)
隨著電子與通訊設(shè)備高功率化、高密度化和高集成化技術(shù)的迅猛發(fā)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(yán)重，同時(shí)對人體健康造成嚴(yán)重威脅。為保障精密電子元器件的運(yùn)行可靠性和信息安全性，保護(hù)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(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，相關(guān)領(lǐng)域?qū)﹄姶牌帘尾牧咸岢隽烁叩囊?。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(yōu)異的金屬導(dǎo)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(yīng)用于輕質(zhì)高效電磁屏蔽材料的開發(fā)。然而，MXene基電磁屏蔽材料較低的柔韌性和力學(xué)性能嚴(yán)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(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用。通過引入聚合物或有機(jī)納米纖維是增強(qiáng)MXene基電磁屏蔽材料的有效途徑，但同時(shí)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(xué)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(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于高導(dǎo)電Ti3C2Tx MXene、銀納米線（AgNWs）和芳綸納米纖維（ANFs）的柔性高強(qiáng)多功能電磁屏蔽復(fù)合薄膜。所得雙層結(jié)構(gòu)ANF-MXene/AgNW電磁屏蔽復(fù)合薄膜中，MXene/AgNWs和ANFs分別作為高效導(dǎo)電層和高性能聚合物增強(qiáng)層，使電磁屏蔽復(fù)合薄膜兼具良好的柔韌性、優(yōu)異的力學(xué)性能、高電導(dǎo)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(qiáng)層與MXene/AgNW導(dǎo)電層之間具有良好的界面結(jié)合作用，復(fù)合薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性和力學(xué)性能。當(dāng)MXene/AgNW含量僅為20 wt%時(shí)，復(fù)合薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別達(dá)到235.9 MPa和24.8%，電磁屏蔽效能（EMI SE）達(dá)到48.1 dB，EMI SE/t達(dá)到10688.9 dB·cm-1。當(dāng)MXene/AgNW含量為80 wt%時(shí)，復(fù)合薄膜的電導(dǎo)率和EMI SE分別最高達(dá)到3725.6 S·cm-1和~80 dB。電磁屏蔽機(jī)制以電磁波吸收為主導(dǎo)，包括MXene/AgNW導(dǎo)電層的電導(dǎo)損耗、MXene片層間的多重內(nèi)部反射損耗和局部偶極子的極化損耗等。此外，雙層結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜還表現(xiàn)出優(yōu)異的快速響應(yīng)焦耳電發(fā)熱性能，在2.5V低外施電壓下復(fù)合薄膜的發(fā)熱溫度可達(dá)到110℃，且在空氣中長時(shí)間發(fā)熱、反復(fù)彎折等條件下都保持良好的電發(fā)熱穩(wěn)定性。此項(xiàng)工作為柔性高強(qiáng)多功能電磁屏蔽復(fù)合材料的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了一種簡便高效的方法，所得柔性高強(qiáng)多功能電磁屏蔽復(fù)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(shè)備等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。
圖1 雙層結(jié)構(gòu)ANF-MXene/AgNW復(fù)合薄膜的制備示意圖及微觀形貌
圖2 雙層結(jié)構(gòu)ANF-MXene/AgNW復(fù)合薄膜的電學(xué)、力學(xué)和電磁屏蔽性能
圖3 雙層結(jié)構(gòu)ANF-MXene/AgNW復(fù)合薄膜的電發(fā)熱性能
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02401
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