北航衡利苹教授《Nat. Commun.》：用于电磁屏蔽和散热的仿生超薄柔性纳米复合材料

2024-09-10 来源：高分子科技

在 5G 时代，微型、柔性电子设备由于功率密度的提高，面临电磁干扰（EMI）和热积累的挑战。这些问题严重影响电子设备的可靠性和使用寿命，甚至威胁整个电力系统的安全运行和人类健康。此外，现代高集成度电子设备的内部空间极为有限。因此，开发具有电磁干扰屏蔽和散热双重功能的超薄柔性聚合物复合薄膜至关重要。然而，由于固体导电和导热填料在聚合物基质中难以实现完全接触，为电子和声子等电荷和热载流子建立连续的传导通道一直是一项艰巨的任务。由于固体填料取向不足或周围绝缘基质产生的“笼罩效应”等因素，即使在高填充率下，复合材料的导电性和导热性仍然难以令人满意。此外，由于固体导电填料的刚性，复合材料的柔韧性很容易受到影响。这些刚性填料在聚合物基质中形成的电子和声子通路在恶劣条件下容易出现裂缝，从而可能导致电磁干扰屏蔽和散热性能的下降。总体而言，市场对于具有良好柔韧性、超高稳定电磁干扰屏蔽效能和高效散热性能的新型聚合物复合材料的需求显著增长。因此，通过在聚合物基质中仿生构筑一种“固—液双连续”导电导热网络，有望在提升复合材料电导率和热导率的同时，改善其柔韧性，并增强其电磁干扰屏蔽和散热的稳定性。这种结构不仅能提供更高效的电子和声子通道，还能在恶劣条件下保持材料的性能，满足现代高集成度电子设备的严格要求。

近日，北京航空航天大学化学学院衡利苹教授团队通过在芳纶纳米纤维和聚乙烯醇（ANF/PVA）基质中构建一种由二维过渡金属碳化钛（MXene）桥连的镓基液态金属（MBLM）固—液双连续复合导电导热网络，成功制备了一种AP/MBLM纳米复合导电导热薄膜。这种新型薄膜材料在保持良好电导率（3984 S/cm）和热导率（13.17 W m^-1 K^-1）的同时，展现出了优异的柔韧性和稳定的电磁干扰屏蔽及散热性能。该材料在仅22 μm的厚度下实现了74.6 dB的超高电磁屏蔽效能，且在经历多种严苛环境测试（如严重机械磨损、超声波处理和极端温度条件）后，仍能保持卓越的电磁屏蔽性能（屏蔽效能＞70 dB）。将该材料与LED芯片整合后，展现出优异的散热能力，使LED芯片的中心温度最大降低了15.8°C。该工作以“Flexible Solid-liquid Bi-continuous Electrically and Thermally Conductive Nanocomposite for Electromagnetic Interference Shielding and Heat Dissipation”为题发表在《Nature Communications》上（Nat. Commun (2024) 15:7290）。文章第一作者是北京航空航天大学2021级博士研究生孙悦。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

具有固—液双连续导电导热网络的芳纶纤维/聚乙烯醇纳米复合材料的构筑

通过将MXene纳米片和包覆有海藻酸钠的液态金属（SA-LM）纳米乳液在二甲基亚砜（DMSO）中形成稳定分散液，之后将其与芳纶纳米纤维和聚乙烯醇在DMSO中的分散液共混，形成前驱体溶液。之后，通过溶胶—凝胶—成膜转化以及热压工艺形成AP/MBLM异质层状纳米复合薄膜。MXene纳米片与液态金属片层相互桥连并对其限域，构建了稳定的固—液双连续导电导热网络，赋予材料良好的电磁屏蔽与散热性能。

AP/MBLM薄膜的电磁屏蔽性能

通过调整AP/MBLM纳米复合材料中液态金属和MXene的配比，可以有效调控其电磁屏蔽性能。AP/MBLM11复合薄膜在22微米厚度下实现了约74.6 dB的超高电磁屏蔽效能。由于材料具有极高的电导率，其主要屏蔽机制是反射。此外，材料内部的多重异质界面导致了电磁波的多重反射、界面极化和偶极极化等效应，进一步增强了电磁波的损耗。实验结果与理论计算值的对比证实了这些效应对电磁屏蔽性能的提升。AP/MBLM纳米复合材料在电磁屏蔽效能方面相较于近年来报道的其他电磁屏蔽材料具有显著优势。

AP/MBLM薄膜的电磁屏蔽稳定性

AP/MBLM纳米复合薄膜具备极佳的柔韧性，其电磁屏蔽效率在经受1万次弯曲和1千次弯折后其电磁屏蔽效能均保持在70 dB以上。此外，在抵抗300 W功率超声1小时后其电磁屏蔽效率稳定在70 dB。而对于各种严苛温度环境，该材料在液氮中浸泡1小时以及在200℃及400℃分别热处理24小时和1小时后，其电磁屏蔽效能保持在70 dB以上。该材料甚至还表现出良好的耐烧蚀能力，在酒精灯外焰直接烧蚀1分钟后，其电磁屏蔽效能依然能维持在60dB。

AP/MBLM薄膜的热导率和散热性能

通过调控液态金属的含量，AP/MBLM纳米复合薄膜的面内热导率最高可达14.47 W/m·K，并展现出显著的热导率各向异性，这对于精密电子设备的高效热管理具有重要意义。这种各向异性源于材料内部的层状异质固-液双连续导热网络。将该薄膜与LED灯芯集成后，展现出优异的散热能力，使灯芯中心温度最大降低15.8℃，有效提高了设备的热管理效率和运行稳定性。

通过在芳纶纳米纤维/聚乙烯醇基质中构筑MXene桥连液态金属的固—液双连续导电导热网络，北京航空航天大学衡利苹教授团队研发出了一种具有高电导率和热导率的纳米复合材料。该材料不仅展现了超高的电磁屏蔽效能，还具有良好的柔韧性与电磁屏蔽稳定性。此外，该材料还具备出色的散热能力。这一研究是该团队在高性能异质层状纳米复合材料领域的最新进展之一。此外，该团队采用石墨烯桥连液态金属并通过超润滑界面封装，制备了环境稳定的高性能电磁屏蔽复合薄膜（ACS Nano 2023, 17, 12616?12628）。这些工作展示了团队在开发功能性纳米复合材料领域的重要进展。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51732-9

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（责任编辑：xu）

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