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  電子設備的快速發展使電磁輻射、電磁干擾等問題日益突出，嚴重影響電子設備的正常運行和信息的安全傳遞，并危害人體健康。柔性電磁屏蔽材料可對電子設備及其所處環境進行有效防護，阻止電磁信息泄漏、切斷電磁波傳播途徑、抑制電磁波的輻射和干擾，是解決電磁輻射和電磁干擾問題最為重要的技術手段之一。隨著新一代柔性電子設備智能化、便攜化以及可穿戴化的發展趨勢，對電磁屏蔽材料的柔性、輕質、導熱性能及力學性能等方面也提出了更高的要求，亟需研制新型高性能、多功能柔性電磁屏蔽復合膜。

  西北工業大學化學與化工學院顧軍渭教授“結構/功能高分子復合材料”（SFPC）課題組通過在共摻雜聚苯胺（c-PANI）和環氧樹脂基體中直接填充Ti₃C₂T_x MXene制備出優異電磁屏蔽效能（EMI SE）的Ti₃C₂T_x/c-PANI（Compos Sci Technol, 2019, 183: 107833）和Ti₃C₂T_x/環氧樹脂（Compos Part B-Eng, 2019, 171: 111--2019年“中國百篇最具影響國際學術論文”）復合材料。采用化學接枝法制備電磁復合異質結構填料（Carbon, 2019, 141: 506），利用MWCNT-Fe₃O₄@Ag的結構、維度特征實現電磁多元損耗，在相對低的填料用量下賦予環氧樹脂復合材料優異的EMI SE。通過將高度規整的石墨烯膜（RGFs）定向排列構筑于環氧樹脂基體中制備出X波段EMI SE高達82 dB的RGFs/環氧樹脂電磁屏蔽復合材料（Compos Part A-Appl S, 2019, 124: 105512）。

  針對共混復合制備的電磁屏蔽高分子復合材料填料用量大，難以兼顧其優異的可加工性和高電磁屏蔽效能（EMI SE）的技術瓶頸難題，基于CuNWs-TAGA（Compos Part A-Appl S, 2020, 128: 105670--2020年“中國百篇最具影響國際學術論文”）、Fe₃O₄/TAGA（Compos Sci Technol, 2019, 169: 70）、Fe₃O₄/CNT/GA（Compos Sci Technol, 2019, 181: 107683）、PANI/MWCNT/TAGA（Compos Part A-Appl S, 2019, 121: 265）、MXene/C（Compos Part A-Appl S, 2019, 123: 293）、AgPs/rGF（Nanoscale, 2019, 11: 22590）和GNPs/GA（J Mater Chem C, 2019, 7: 2725）等三維導電網絡骨架的結構優化設計與可控構筑，實現了低填料用量下環氧樹脂復合材料EMI SE的快速高效提升。以氧化鋁蜂窩為模板，通過“犧牲模板-冷凍干燥-真空輔助浸漬”法成功構筑了具有規整三維蜂窩結構的環氧樹脂電磁屏蔽復合材料（Nano-Micro Lett, 2022, 14: 51；Sustain Mater Techno, 2020, 24: e00153；Compos Sci Technol, 2019, 181: 107698），三維蜂窩結構的構建顯著提高了環氧樹脂復合材料的電磁屏蔽性能，同時賦予復合材料優異的熱穩定性和力學性能。采用定向冷凍法誘導填料序列化分布并組裝為有序網絡結構，在實現高效導電損耗同時利用填料/聚合物界面增強內部電磁波的多次有規律的反射和重吸收，實現高分子復合材料EMI SE的快速高效提升（Research, 2022, 2022: 9780290；Research, 2020, 2020: 4093732）。采用“氫鍵驅動自組裝-溶膠凝膠-冷凍干燥”法制備柔性電磁屏蔽高分子復合材料的新策略，增強了入射電磁波與高分子復合材料之間的導電損耗，實現在低填料用量下卓越的EMI SE（Nano-Micro Lett, 2021, 13: 91）。將石墨烯和MXene氣凝膠等構筑于高度有序的天然生物質基多孔碳骨架中構筑類“磚-泥”結構制得輕質高效的電磁屏蔽復合材料（Mater Today Phys, 2021, 21: 100512；Sci Bull, 2020, 65: 616，圖1；J Mater Sci Technol, 2020, 52: 119--入選“領跑者5000-中國精品科技期刊頂尖學術論文”），且有效解決了生物質材料電磁屏蔽效能低和氣凝膠結構不穩定的問題。

圖1 MXene氣凝膠/木頭衍生多孔碳（MXene aerogel/WC）復合材料微觀結構及性能

  針對電磁屏蔽高分子復合材料密度大、力學性能較差以及功能單一的問題，通過分層設計再組裝策略，結合抽濾、刮涂、靜電紡絲和模壓制備了上層為GO/EG、中間層為Fe₃O₄/聚酰亞胺（PI）、下層為PI纖維的多層級多功能PI基復合薄膜（Nano-Micro Lett, 2022, 14: 26），其EMI SE、面內導熱系數（λ_∥）和拉伸強度分別為34.0 dB、95.40 W/(m·K)和93.6 MPa。采用刮涂法制備上下層為氮化硼/硅橡膠（BN/SR）、中間層為碳纖維@Fe₂O₃（CF@Fe₂O₃）的三明治結構CF@Fe₂O₃/(BN/SR)復合材料（Compos Sci Technol, 2022, 219: 109253），其EMI SE、λ_∥和電擊穿強度分別為37.7 dB、3.86 W/(m·K)和26.8 kV/mm。借助“靜電紡絲-鋪層-熱壓”工藝制備了上下層為Fe₃O₄/聚乙烯醇（PVA）復合電紡纖維、中間層為Ti₃C₂T_x/PVA復合電紡纖維的三明治結構電磁屏蔽復合膜（Small, 2021, 17: 2101951），其EMI SE、λ和拉伸強度分別為40 dB、2.86 W/(m·K)和27.7 MPa。采用“真空輔助抽濾-熱壓”法制備具有Janus結構的(BNNS/ANF)-(AgNWs/ANF)導熱屏蔽復合膜（Nano Research, 2022, 10.1007/s12274-022-4159-z，圖2），其EMI SE、λ_∥和拉伸強度分別為70 dB、8.12 W/(m·K)和122.9 MPa。采用簡便高效的兩步真空輔助抽濾-熱壓法開發了電導率和EMI SE分別高達3725.6 S·cm^-1和80 dB（91 μm）的柔性高強雙層結構電磁屏蔽復合薄膜。雙層結構復合薄膜的拉伸強度達235.9 MPa，且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110℃（ACS Nano, 2020, 14: 8368）。借助真空輔助抽濾與熱壓結合制備兼具優異焦耳發熱性能（2.0 V低外施電壓下，Joule發熱溫度達99.5℃）、EMI SE高達101 dB（44.5 μm）及高導熱（10.55 W/(m·K)）的銀納米線/纖維素電磁屏蔽復合薄膜（ACS Appl Mater Interfaces, 2020, 12: 18023）。

圖2 Janus結構(BNNS/ANF)-(AgNWs/ANF)導熱屏蔽復合膜的制備示意圖

  最近，SFPC課題組馬忠雷副教授和顧軍渭教授以天然皮革為基體，通過簡便高效的真空輔助抽濾工藝制備了兼具可視化焦耳發熱、電磁屏蔽和壓阻傳感功能的多功能層級結構AgNW/皮革復合材料，在能量轉換、電子皮膚和人工智能等領域具有良好的應用潛力。高導電AgNWs在真空輔助抽濾的作用下進入皮革肉面的多孔結構中與膠原纖維束形成物理相互纏繞和氫鍵相互作用，并構筑形成高效的3D導電網絡。在2.5 g/m²的低AgNW面積密度下，AgNW/皮革復合材料在2.0 V低外施電壓下的焦耳發熱溫度達到108°C，EMI SE達到55 dB，方阻僅為0.8 Ω/sq，且在人體動作識別中表現出高靈敏的壓阻傳感能力（響應時間小于50 ms）。AgNW/皮革復合材料還擁有優異的耐熱性（熱降解溫度為300°C）、拉伸強度（16.7 MPa）、疏水性和工作穩定性。

圖3 層級結構AgNW/皮革復合材料的制備示意圖與表微觀形貌

圖4 層級結構AgNW/皮革復合材料的電學、熱學和力學性能

圖5 層級結構AgNW/皮革復合材料的可視化焦耳發熱性能

圖6 層級結構AgNW/皮革復合材料在使用環境中的焦耳發熱行為

圖7 層級結構AgNW/皮革復合材料的電磁屏蔽性能與機理

圖8 層級結構AgNW/皮革復合材料的壓阻傳感性能與機理

  本工作近期以“Multifunctional Wearable Silver Nanowire Decorated Leather Nanocomposites for Joule Heating, Electromagnetic Interference Shielding and Piezoresistive Sensing”為題發表于Angewandte Chemie International Edition（2022, 10.1002/anie.202200705）上。第一作者為西北工業大學化學與化工學院馬忠雷副教授，陜西科技大學化學與化工學院向小蓮為共同第一作者，通訊作者為西北工業大學化學與化工學院顧軍渭教授。本研究工作得到了國家自然科學基金（U21A2093和51903145）、陜西省自然科學基礎計劃杰出青年基金項目（2019JC-11）、中央高校基本科研業務費資助項目（D5000210627）、陜西省輕化工助劑化學與技術協同創新中心開放基金項目（XTKF-2020-04）高分子電磁功能材料陜西省“三秦學者”創新團隊以及2021年度博士論文創新基金（CX2021107）的資助和支持。

  論文信息：Zhonglei Ma^#, Xiaolian Xiang^#, Liang Shao, Yali Zhang and Junwei Gu*. Multifunctional Wearable Silver Nanowire Decorated Leather Nanocomposites for Joule Heating, Electromagnetic Interference Shielding and Piezoresistive Sensing. Angewandte Chemie International Edition, 2022, 10.1002/anie.202200705.

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202200705

作者簡介

馬忠雷，陜西榆林人，西北工業大學化學與化工學院副教授，主要研究方向為功能（電磁屏蔽、吸波與吸聲）高分子復合材料與輕質高性能發泡材料。獲2021年度中國復合材料學會科學技術獎二等獎（3/8），入選英國皇家化學會2019 Top 1%高被引中國作者材料類榜單；獲第十三屆“挑戰杯”陜西省大學生課外學術科技作品競賽一等獎指導教師。主持國家自然科學基金（青年）、陜西省自然科學基礎研究計劃和陜西省教育廳專項計劃等基金項目6項。以第一作者和/或通訊作者在Angew Chem Int Edit, ACS Nano和Compos Sci Technol等期刊發表高水平SCI論文20余篇（1篇論文入選ESI熱點論文、4篇論文入選ESI高被引論文），授權和公開國家發明專利9件。參加國際、國內學術會議15次（口頭報告11次）。參編Elsevier出版社專著第12章、Springer Nature出版社專著第9章。

顧軍渭，浙江上虞人，西北工業大學化學與化工學院教授、博導，陜西省杰出青年科學基金獲得者（2019~2021）。入選英國皇家化學會會士，英國皇家航空學會會士，英國材料、礦物與礦業學會會士；科睿唯安2021全球“高被引科學家”（材料科學）。現任化學與化工學院副院長、陜西省高分子科學與技術重點實驗室副主任、西北工業大學基礎研究學會會長；任中國復合材料學會導熱復合材料專業委員會常務副主任、中國復合材料學會青年工作委員會副主任、中國化學會高級會員等。2002~2010在西北工業大學獲高分子材料與工程學士，材料學碩士、博士學位；2017年起在理學院、化學與化工學院擔任教授。主要從事功能高分子復合材料（導熱、電磁屏蔽）和纖維增強先進樹脂基透波復合材料的功能/結構一體化設計制備及加工研究。獲2021年度中國復合材料學會科學技術獎二等獎（排名第一）、2020年度高等學校科學研究優秀成果獎（科學技術）技術發明二等獎（排名第二），第四屆中國復合材料學會青年科學家獎、2021中國化學會高分子創新論文獎等。主持國家自然科學基金（4項，包括1項區域聯合基金重點項目），XXX技術基礎重點項目、XXX計劃技術領域基金項目、XXX配套項目等其他國家級項目3項，陜西省杰出青年科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金項目（重點項目）和ZB科研計劃項目等省部級項目13項。以第一和/或通訊作者在Angew Chem Int Edit, Sci Bull, Compos Sci Technol和Macromolecules等期刊發表高水平SCI論文100余篇，SCI引用12000余次（H-index為68）。4論文入選2018~2020年“中國百篇最具影響國際學術論文” 、1篇論文入選“領跑者5000-中國精品科技期刊頂尖學術論文”、1篇論文入選2020年“材料領域10大高被引論文”。在國內外重要學術會議上做邀請報告、口頭報告30余次；任第十一屆亞澳復合材料會議、第四屆中國國際復合材料科技大會和2019全國高分子學術論文報告會等16個重要學術會議分會主席、副秘書長。授權、公開中國/美國發明專利50余件。任J Mater Sci Technol、Natl Sci Rev、Nano Res、Compos Sci Technol等期刊副主編、編輯或編委。主編Elsevier出版社專著1部、Wiley出版社專著1部、科學出版社教材1部，參編Elsevier出版社專著第12章、Wiley出版社專著第19章，參編高等學校規劃教材1本。