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北航衡利蘋教授《Nat. Commun.》：用于電磁屏蔽和散熱的仿生超薄柔性納米復合材料

2024-09-10 來源：高分子科技

在 5G 時代，微型、柔性電子設備由于功率密度的提高，面臨電磁干擾（EMI）和熱積累的挑戰。這些問題嚴重影響電子設備的可靠性和使用壽命，甚至威脅整個電力系統的安全運行和人類健康。此外，現代高集成度電子設備的內部空間極為有限。因此，開發具有電磁干擾屏蔽和散熱雙重功能的超薄柔性聚合物復合薄膜至關重要。然而，由于固體導電和導熱填料在聚合物基質中難以實現完全接觸，為電子和聲子等電荷和熱載流子建立連續的傳導通道一直是一項艱巨的任務。由于固體填料取向不足或周圍絕緣基質產生的“籠罩效應”等因素，即使在高填充率下，復合材料的導電性和導熱性仍然難以令人滿意。此外，由于固體導電填料的剛性，復合材料的柔韌性很容易受到影響。這些剛性填料在聚合物基質中形成的電子和聲子通路在惡劣條件下容易出現裂縫，從而可能導致電磁干擾屏蔽和散熱性能的下降。總體而言，市場對于具有良好柔韌性、超高穩定電磁干擾屏蔽效能和高效散熱性能的新型聚合物復合材料的需求顯著增長。因此，通過在聚合物基質中仿生構筑一種“固—液雙連續”導電導熱網絡，有望在提升復合材料電導率和熱導率的同時，改善其柔韌性，并增強其電磁干擾屏蔽和散熱的穩定性。這種結構不僅能提供更高效的電子和聲子通道，還能在惡劣條件下保持材料的性能，滿足現代高集成度電子設備的嚴格要求。

近日，北京航空航天大學化學學院衡利蘋教授團隊通過在芳綸納米纖維和聚乙烯醇（ANF/PVA）基質中構建一種由二維過渡金屬碳化鈦（MXene）橋連的鎵基液態金屬（MBLM）固—液雙連續復合導電導熱網絡，成功制備了一種AP/MBLM納米復合導電導熱薄膜。這種新型薄膜材料在保持良好電導率（3984 S/cm）和熱導率（13.17 W m^-1 K^-1）的同時，展現出了優異的柔韌性和穩定的電磁干擾屏蔽及散熱性能。該材料在僅22 μm的厚度下實現了74.6 dB的超高電磁屏蔽效能，且在經歷多種嚴苛環境測試（如嚴重機械磨損、超聲波處理和極端溫度條件）后，仍能保持卓越的電磁屏蔽性能（屏蔽效能＞70 dB）。將該材料與LED芯片整合后，展現出優異的散熱能力，使LED芯片的中心溫度最大降低了15.8°C。該工作以“Flexible Solid-liquid Bi-continuous Electrically and Thermally Conductive Nanocomposite for Electromagnetic Interference Shielding and Heat Dissipation”為題發表在《Nature Communications》上（Nat. Commun (2024) 15:7290）。文章第一作者是北京航空航天大學2021級博士研究生孫悅。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

具有固—液雙連續導電導熱網絡的芳綸纖維/聚乙烯醇納米復合材料的構筑

通過將MXene納米片和包覆有海藻酸鈉的液態金屬（SA-LM）納米乳液在二甲基亞砜（DMSO）中形成穩定分散液，之后將其與芳綸納米纖維和聚乙烯醇在DMSO中的分散液共混，形成前驅體溶液。之后，通過溶膠—凝膠—成膜轉化以及熱壓工藝形成AP/MBLM異質層狀納米復合薄膜。MXene納米片與液態金屬片層相互橋連并對其限域，構建了穩定的固—液雙連續導電導熱網絡，賦予材料良好的電磁屏蔽與散熱性能。

AP/MBLM薄膜的電磁屏蔽性能

通過調整AP/MBLM納米復合材料中液態金屬和MXene的配比，可以有效調控其電磁屏蔽性能。AP/MBLM11復合薄膜在22微米厚度下實現了約74.6 dB的超高電磁屏蔽效能。由于材料具有極高的電導率，其主要屏蔽機制是反射。此外，材料內部的多重異質界面導致了電磁波的多重反射、界面極化和偶極極化等效應，進一步增強了電磁波的損耗。實驗結果與理論計算值的對比證實了這些效應對電磁屏蔽性能的提升。AP/MBLM納米復合材料在電磁屏蔽效能方面相較于近年來報道的其他電磁屏蔽材料具有顯著優勢。

AP/MBLM薄膜的電磁屏蔽穩定性

AP/MBLM納米復合薄膜具備極佳的柔韌性，其電磁屏蔽效率在經受1萬次彎曲和1千次彎折后其電磁屏蔽效能均保持在70 dB以上。此外，在抵抗300 W功率超聲1小時后其電磁屏蔽效率穩定在70 dB。而對于各種嚴苛溫度環境，該材料在液氮中浸泡1小時以及在200℃及400℃分別熱處理24小時和1小時后，其電磁屏蔽效能保持在70 dB以上。該材料甚至還表現出良好的耐燒蝕能力，在酒精燈外焰直接燒蝕1分鐘后，其電磁屏蔽效能依然能維持在60dB。

AP/MBLM薄膜的熱導率和散熱性能

通過調控液態金屬的含量，AP/MBLM納米復合薄膜的面內熱導率最高可達14.47 W/m·K，并展現出顯著的熱導率各向異性，這對于精密電子設備的高效熱管理具有重要意義。這種各向異性源于材料內部的層狀異質固-液雙連續導熱網絡。將該薄膜與LED燈芯集成后，展現出優異的散熱能力，使燈芯中心溫度最大降低15.8℃，有效提高了設備的熱管理效率和運行穩定性。

通過在芳綸納米纖維/聚乙烯醇基質中構筑MXene橋連液態金屬的固—液雙連續導電導熱網絡，北京航空航天大學衡利蘋教授團隊研發出了一種具有高電導率和熱導率的納米復合材料。該材料不僅展現了超高的電磁屏蔽效能，還具有良好的柔韌性與電磁屏蔽穩定性。此外，該材料還具備出色的散熱能力。這一研究是該團隊在高性能異質層狀納米復合材料領域的最新進展之一。此外，該團隊采用石墨烯橋連液態金屬并通過超潤滑界面封裝，制備了環境穩定的高性能電磁屏蔽復合薄膜（ACS Nano 2023, 17, 12616?12628）。這些工作展示了團隊在開發功能性納米復合材料領域的重要進展。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51732-9

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（責任編輯：xu）

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