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武漢理工大學李寶文教授團隊《ACS AMI》：間歇抽濾工藝制備MXene/芳綸納米纖維膜用于高效電磁屏蔽和熱管理

2023-01-20 來源：高分子科技

5G通信技術推動了電子設備的快速發展。具有高集成度和高功率密度的電子設備會在內部產生大量電磁輻射和熱積累問題，嚴重制約系統的工作精度和穩定性，并危害人體健康。新一代集成電子器件迫切需要兼具柔性、魯棒性、環境穩定性和熱管理性能的高效電磁屏蔽材料，以滿足電子設備智能化和可穿戴化的發展趨勢。二維過渡金屬碳氮化物和/或氮化物MXene因其卓越的金屬導電性、輕質和易加工等特性被廣泛應用于電磁屏蔽屏蔽領域。然而，MXene的力學性能差和易氧化等問題嚴重制約其實際應用。通過引入一維納米纖維可以改善MXene材料的機械強度，然而，常規的制備策略難以調控材料的取向和分布，并導致納米片的聚集。改善MXene的取向度并平衡復合材料的力學強度、熱管理和電磁屏蔽效能仍然是該領域的挑戰之一。

近期，武漢理工大學智能材料與器件研究中心李寶文教授團隊采用間歇抽濾工藝制備了具有“磚-砂漿”結構的柔性、高強度和高取向的MXene/ANF復合膜，用于高效電磁屏蔽和熱管理。間歇抽濾工藝促使MXene納米片在基體中沿面內方向取向，以形成高度有序的導電網絡，并改善了納米片在基體中的分布，避免MXene沉積和自堆疊問題。得益于MXene和ANF表面豐富的官能團，一維剛性ANF可以與MXene導電層通過價鍵效應形成良好的界面相互作用，復合膜表現出良好的力學性能和抗彎折性能。在MXene含量高達80 wt%時，復合膜的拉伸強度、斷裂伸長率和韌性達到155.7 MPa、4.8%和5.8 MJ/m³，分別是純MXene膜的2.85、4.8和21.1倍。基于間歇抽濾工藝改善了材料的結構分布，MXene含量為50 wt%時，復合膜的電磁屏蔽效能（EMI SE）為44.0 dB，比屏蔽效能（SSE/t）高達18847.6 dB cm²/g，優于相同含量下真空抽濾制備的復合膜。MXene/ANF復合膜在熱管理方面也表現出極大的應用潛力。復合膜的面外熱導率和熱擴散系數最高可達0.59 W/m·K和0.4 mm²/s。此外，復合膜表現出兼具快速效應能力和長時間穩定工作的焦耳加熱性能，在4 V負載電壓下復合膜的加熱溫度可以達到89.0℃。

圖1 MXene/ANF復合膜的制備示意圖和材料表征

圖2 MXene/ANF復合膜的力學性能

圖3 MXene/ANF復合膜的電磁屏蔽性能

圖4 MXene/ANF復合膜的導熱性能

圖5 MXene/ANF復合膜的焦耳加熱性能

該工作以“Enhanced Electromagnetic Shielding and Thermal Management Properties in MXene/Aramid Nanofiber Films Fabricated by Intermittent Filtration”為題發表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。該論文第一作者是武漢理工大學碩士研究生劉晨旭，通訊作者為李寶文教授。該研究得到重點研發計劃，國家自然科學基金的資助和支持。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c20101

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（責任編輯：xu）

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