武汉理工大学李宝文教授团队《ACS AMI》：间歇抽滤工艺制备MXene/芳纶纳米纤维膜用于高效电磁屏蔽和热管理

2023-01-20 来源：高分子科技

5G通信技术推动了电子设备的快速发展。具有高集成度和高功率密度的电子设备会在内部产生大量电磁辐射和热积累问题，严重制约系统的工作精度和稳定性，并危害人体健康。新一代集成电子器件迫切需要兼具柔性、鲁棒性、环境稳定性和热管理性能的高效电磁屏蔽材料，以满足电子设备智能化和可穿戴化的发展趋势。二维过渡金属碳氮化物和/或氮化物MXene因其卓越的金属导电性、轻质和易加工等特性被广泛应用于电磁屏蔽屏蔽领域。然而，MXene的力学性能差和易氧化等问题严重制约其实际应用。通过引入一维纳米纤维可以改善MXene材料的机械强度，然而，常规的制备策略难以调控材料的取向和分布，并导致纳米片的聚集。改善MXene的取向度并平衡复合材料的力学强度、热管理和电磁屏蔽效能仍然是该领域的挑战之一。

近期，武汉理工大学智能材料与器件研究中心李宝文教授团队采用间歇抽滤工艺制备了具有“砖-砂浆”结构的柔性、高强度和高取向的MXene/ANF复合膜，用于高效电磁屏蔽和热管理。间歇抽滤工艺促使MXene纳米片在基体中沿面内方向取向，以形成高度有序的导电网络，并改善了纳米片在基体中的分布，避免MXene沉积和自堆叠问题。得益于MXene和ANF表面丰富的官能团，一维刚性ANF可以与MXene导电层通过价键效应形成良好的界面相互作用，复合膜表现出良好的力学性能和抗弯折性能。在MXene含量高达80 wt%时，复合膜的拉伸强度、断裂伸长率和韧性达到155.7 MPa、4.8%和5.8 MJ/m³，分别是纯MXene膜的2.85、4.8和21.1倍。基于间歇抽滤工艺改善了材料的结构分布，MXene含量为50 wt%时，复合膜的电磁屏蔽效能（EMI SE）为44.0 dB，比屏蔽效能（SSE/t）高达18847.6 dB cm²/g，优于相同含量下真空抽滤制备的复合膜。MXene/ANF复合膜在热管理方面也表现出极大的应用潜力。复合膜的面外热导率和热扩散系数最高可达0.59 W/m·K和0.4 mm²/s。此外，复合膜表现出兼具快速效应能力和长时间稳定工作的焦耳加热性能，在4 V负载电压下复合膜的加热温度可以达到89.0℃。

图1 MXene/ANF复合膜的制备示意图和材料表征

图2 MXene/ANF复合膜的力学性能

图3 MXene/ANF复合膜的电磁屏蔽性能

图4 MXene/ANF复合膜的导热性能

图5 MXene/ANF复合膜的焦耳加热性能

该工作以“Enhanced Electromagnetic Shielding and Thermal Management Properties in MXene/Aramid Nanofiber Films Fabricated by Intermittent Filtration”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。该论文第一作者是武汉理工大学硕士研究生刘晨旭，通讯作者为李宝文教授。该研究得到重点研发计划，国家自然科学基金的资助和支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c20101

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（责任编辑：xu）

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