輕質(zhì)柔性的MXene復(fù)合薄膜:邁向先進(jìn)的電磁屏蔽、智能熱管理及傳感集成技術(shù)
《Journal of Alloys and Compounds》:Lightweight Flexible MXene Composite Films: Towards Advanced Electromagnetic Shielding, Smart Thermal Management, and Sensing Integration
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時(shí)間:2026年03月02日
來(lái)源:Journal of Alloys and Compounds 6.3
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電磁屏蔽輕質(zhì)復(fù)合薄膜的制備及其多功能性能研究。該研究通過(guò)整合二維MXene納米片、一維纖維素納米纖維(CNF)和零維銀納米顆粒(AgNPs)構(gòu)建出多相多層次(0D-1D-2D)復(fù)合薄膜,實(shí)現(xiàn)了89.2 dB的高電磁屏蔽效能(72 μm厚度)和優(yōu)異的機(jī)械柔韌性、焦耳熱效應(yīng)及機(jī)電響應(yīng)特性。
關(guān)欣工|盛娟莉|馮燕高|于凡陳|尹云涵|易凡陳|雷莉|薛玉華|隋國(guó)榮
上海科技大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院,中國(guó)上海200093
摘要
在5G時(shí)代以及即將到來(lái)的6G時(shí)代,對(duì)緊湊型和高頻電子設(shè)備的需求不斷增長(zhǎng),這加劇了對(duì)電磁干擾(EMI)的擔(dān)憂(yōu),因?yàn)殡姶鸥蓴_會(huì)嚴(yán)重威脅信號(hào)完整性和設(shè)備可靠性。因此,開(kāi)發(fā)輕質(zhì)、靈活且多功能性的屏蔽材料對(duì)于下一代電子產(chǎn)品至關(guān)重要。本文介紹了一種自組裝的MXene/AgNPs/CNF復(fù)合薄膜,該薄膜具有多相分層結(jié)構(gòu),由二維Ti?C?T? MXene納米片、一維纖維素納米纖維(CNFs)和零維銀納米顆粒(AgNPs)組成。這種協(xié)同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)建了一個(gè)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),有效平衡了導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。優(yōu)化后的復(fù)合薄膜在72微米厚度下表現(xiàn)出卓越的EMI屏蔽效果,屏蔽效率達(dá)到89.2 dB,相當(dāng)于每厘米12388.9 dB的特定性能,屏蔽效率超過(guò)99.999999%。除了出色的屏蔽性能外,該薄膜還具備可靠的柔韌性、快速穩(wěn)定的焦耳加熱行為以及靈敏的機(jī)電響應(yīng)。這些多功能特性源于MXene、AgNPs和CNF之間的協(xié)同界面作用和電荷轉(zhuǎn)移耦合。這項(xiàng)工作為構(gòu)建用于先進(jìn)電磁屏蔽、熱管理和可穿戴傳感應(yīng)用的界面工程化納米復(fù)合材料提供了一種材料高效且多用途的策略。
引言
隨著第五代(5G)和第六代(6G)電子技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)高性能輕質(zhì)、靈活的電磁干擾(EMI)屏蔽材料的需求日益迫切[1]、[2]。這類(lèi)材料不僅需要具備優(yōu)異的EMI屏蔽效果,還需要具備機(jī)械強(qiáng)度、有效的熱管理和可靠的傳感能力,以滿(mǎn)足下一代可穿戴和便攜式設(shè)備的多功能需求[3]、[4]、[5]。在過(guò)去幾十年中,人們探索了多種導(dǎo)電納米材料用于EMI屏蔽,包括碳納米管(CNTs)[6]、[7]、[8]、石墨烯[9]、[10]、金屬納米線(xiàn)[11]、[12]、[13]以及二維過(guò)渡金屬碳化物/氮化物(MXenes)[14]、[15]、[16]、[17]。其中,MXenes(尤其是Ti?C?T?)因其金屬導(dǎo)電性、可調(diào)層狀結(jié)構(gòu)以及表面親水官能團(tuán)(-F、-O、-OH)而受到廣泛關(guān)注,這些官能團(tuán)有利于基于溶液的處理,使其成為構(gòu)建高性能EMI屏蔽膜的理想材料[18]。然而,MXene納米片本身的脆性和層間凝聚力較弱,限制了其機(jī)械強(qiáng)度和長(zhǎng)期可靠性,從而阻礙了實(shí)際應(yīng)用。為了解決這些問(wèn)題,最近的研究集中在界面增強(qiáng)策略上,例如引入聚合物或一維(1D)納米纖維來(lái)加強(qiáng)層間相互作用并提高M(jìn)Xene基薄膜的機(jī)械強(qiáng)度[12]、[14]、[17]、[19]。例如,Jahange等人通過(guò)溶劑澆鑄法制備了MXene-PVA復(fù)合薄膜,聚合物的引入顯著提高了薄膜的拉伸強(qiáng)度,從19.5 MPa提升至56.0 MPa[20];Zhou等人則結(jié)合了MXene、芳綸納米纖維(ANF)和PEDOT:PSS,制備出具有超高拉伸強(qiáng)度(155.9 MPa)和優(yōu)異EMI屏蔽性能(48.1 dB)的雙層復(fù)合薄膜[21]。然而,大多數(shù)聚合物來(lái)自石油,可再生性有限且可能存在環(huán)境問(wèn)題[22]。
相比之下,纖維素納米纖維(CNFs)來(lái)源于豐富的可再生生物質(zhì)資源[23],具有高長(zhǎng)寬比[24]、出色的機(jī)械強(qiáng)度[25]以及與MXene納米片的良好界面相容性[26],使其成為有前景的增強(qiáng)組分。然而,它們本身的導(dǎo)電性較差,可能會(huì)干擾MXene框架內(nèi)的電子傳輸路徑,從而降低薄膜的整體導(dǎo)電性和屏蔽性能。為了解決這個(gè)問(wèn)題,引入了銀納米顆粒(AgNPs)作為高導(dǎo)電性的納米橋梁,重新建立并密實(shí)MXene片層之間的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。得益于其納米級(jí)尺寸和優(yōu)異的導(dǎo)電性,AgNPs有效促進(jìn)了界面電荷轉(zhuǎn)移,從而恢復(fù)了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)并顯著提高了EMI屏蔽效果。與以往報(bào)道的MXene/Ag/纖維素三元復(fù)合材料(通常采用非分層混合方式)相比,我們的工作建立了一種多相分層(0D–1D–2D)結(jié)構(gòu),其中AgNPs作為層間納米橋梁,CNF形成機(jī)械強(qiáng)度高的1D支架,MXene提供連續(xù)的2D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠在材料高效的情況下同時(shí)調(diào)節(jié)層狀排列和界面電荷傳輸。
在這里,我們提出了一種簡(jiǎn)單的自組裝策略,通過(guò)整合二維(2D)MXene納米片、一維(1D)CNFs和零維(0D)AgNPs來(lái)構(gòu)建MXene/AgNPs/CNF多相分層復(fù)合薄膜。這種0D-1D-2D分層配置協(xié)同增強(qiáng)了機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性,同時(shí)保持了優(yōu)異的EMI屏蔽性能。通過(guò)優(yōu)化三相之間的界面耦合和電子傳輸,所得復(fù)合薄膜成功解決了機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性和EMI屏蔽性能之間的長(zhǎng)期矛盾。這項(xiàng)工作不僅為設(shè)計(jì)基于MXene的復(fù)合薄膜提供了一種材料高效的策略,還為界面電荷轉(zhuǎn)移和分層結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系提供了基本見(jiàn)解,為開(kāi)發(fā)靈活的EMI屏蔽材料、可穿戴傳感器和多功能電子設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。
材料
所有使用的化學(xué)品均為分析級(jí)。鹽酸(HCl)、氟化鋰(LiF)、硝酸銀(AgNO?)、硼氫化鈉(NaBH?)和無(wú)水乙醇均購(gòu)自中國(guó)國(guó)家醫(yī)藥集團(tuán) Corporation Chemical Reagents Co., Ltd.;Ti?AlC?購(gòu)自北京華威瑞科化工有限公司;纖維素漿纖維購(gòu)自上海同華益生纖維生物技術(shù)有限公司。
CNF分散液的制備
CNF分散液是通過(guò)機(jī)械方法制備的
復(fù)合薄膜的合成與表征
圖1a展示了MAC-50復(fù)合薄膜的制備過(guò)程。首先,使用HCl/LiF溶液蝕刻MAX相中的鋁層,成功制備出具有手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)的多層MXene(見(jiàn)圖S2)。隨后,通過(guò)超聲剝離將多層MXene轉(zhuǎn)化為單層MXene納米片。然后,通過(guò)親水官能團(tuán)之間的氫鍵作用,將單層MXene納米片、AgNPs和CNF均勻混合
結(jié)論
總結(jié)來(lái)說(shuō),我們通過(guò)簡(jiǎn)單的自組裝和真空過(guò)濾工藝制備了一種超薄MXene/AgNPs/CNF復(fù)合薄膜,該薄膜具有多相分層(0D–1D–2D)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中,CNF作為機(jī)械強(qiáng)度高的支架,MXene形成連續(xù)的導(dǎo)電和屏蔽框架,AgNPs作為層間調(diào)節(jié)劑,促進(jìn)層狀密實(shí)化和界面電荷轉(zhuǎn)移。得益于這種多相分層配置,復(fù)合薄膜
作者貢獻(xiàn)聲明
薛玉華:項(xiàng)目監(jiān)督、項(xiàng)目管理、資金籌集。隋國(guó)榮:撰寫(xiě) – 審稿與編輯、項(xiàng)目管理、方法論、資金籌集、概念構(gòu)思。關(guān)欣工:撰寫(xiě) – 原稿撰寫(xiě)、方法論、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)管理、概念構(gòu)思。盛娟莉:撰寫(xiě) – 審稿與編輯、驗(yàn)證、方法論。馮燕高:實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)管理。于凡陳:方法論、實(shí)驗(yàn)研究、概念構(gòu)思。尹云涵:方法論、實(shí)驗(yàn)研究
利益沖突聲明
作者聲明沒(méi)有已知的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
致謝
本研究得到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金(52172095)、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)(24TS1415900)、浦東新區(qū)科技創(chuàng)新發(fā)展基金(PKX2023-W01)以及中國(guó)高端外國(guó)專(zhuān)家引進(jìn)計(jì)劃(57-23-310-002)的支持。
利益沖突聲明
作者聲明沒(méi)有利益沖突。
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