隨著大規(guī)模集成電路集成度的不斷提高，電子設(shè)備越來越小、性能越來越強(qiáng)大，但是隨之而來的電磁輻射污染和干擾也越來越嚴(yán)重，這在航空航天、軍事、人工智能、5G通信以及可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域中尤為突出。這時(shí)，電磁屏蔽（EMI）材料對(duì)于精密電子設(shè)備的可靠操作、信息安全以及人體健康就顯得至關(guān)重要。金屬EMI材料雖然具有出色的導(dǎo)電性、EMI屏蔽和熱管理性能，但是其密度高、柔韌性差，不耐化學(xué)腐蝕，而且難以加工成型等諸多缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了它們的應(yīng)用。導(dǎo)電聚合物的出現(xiàn)克服了金屬EMI材料重量大的缺點(diǎn)，但是這種材料的滲透閾值高，通常需要加入大量填料才能獲得理想的電導(dǎo)率和EMI性能，導(dǎo)致柔韌性、機(jī)械性能（尤其是強(qiáng)度和韌性）和可加工性惡化，其EMI屏蔽效果也遠(yuǎn)低于金屬材料。
因此，開發(fā)具有超柔韌性和優(yōu)異機(jī)械性能的高效EMI屏蔽材料仍然是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。MXenes是一種獨(dú)特的二維（2D）過渡金屬碳化物或氮化物，具有出色的導(dǎo)電性、親水性和機(jī)械性能，可以用作電磁屏蔽材料，同時(shí)將聚合物和一維（1D）有機(jī)納米纖維摻入MXene后可以增強(qiáng)MXene的機(jī)械性能，但是這些復(fù)合材料與MXene的界面粘合性較弱，聚合物和有機(jī)納米纖維的加入導(dǎo)致MXenes接觸部位絕緣，不可避免地降低材料導(dǎo)電性和EMI屏蔽性能。把各種材料簡(jiǎn)單混合在一起的做法就相當(dāng)于制造了一個(gè)“磚瓦房”，復(fù)合材料機(jī)械和EMI性能雖然有所提高，但是難以制造出同時(shí)具有超柔韌性、優(yōu)異的機(jī)械性和高效EMI性能的材料。
成果介紹
陜西科技大學(xué)馬忠雷副教授、馬建中教授和西北工業(yè)大學(xué)顧軍渭教授課題組在復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了創(chuàng)新，將傳統(tǒng)的“磚瓦房”建成了兩層的 “小洋樓”，制備出超柔韌性、優(yōu)異的機(jī)械性和高效EMI性能的雙層ANF-MXene/AgNW納米復(fù)合材料。當(dāng)MXene/AgNW含量為20 wt％時(shí)，雙層納米復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能：拉伸強(qiáng)度235.9 MPa，斷裂應(yīng)變24.8％，同時(shí)電導(dǎo)率達(dá)到922.0 S·cm-1、EMI屏蔽效率為48.1 dB。當(dāng)MXene/AgNW含量為80 wt％時(shí)，材料最大電導(dǎo)率更是高達(dá)3725.6 S·cm-1，EMI屏蔽效率為80 dB，能屏蔽99.999999％的入射電磁波。此外，這種雙層納米復(fù)合材料還是一種優(yōu)異的焦耳加熱器，在1 V電壓下材料飽和溫度就能達(dá)到41.2℃，非常適合穿戴治療應(yīng)用。
雙層納米復(fù)合材料的合成
為了制備凱夫拉納米纖維ANF，研究者以芳香族聚酰胺（PPTA）纖維為原料，在氫氧化鉀/二甲基亞砜（KOH/DMSO）混合溶液中通過去質(zhì)子化方法，削弱了PPTA聚合物鏈之間的氫鍵相互作用，制備出了高度穩(wěn)定且均勻的ANF分散體，直徑約為10 nm，長(zhǎng)度為數(shù)微米。
研究者以Ti3AlC2（MAX）為原料，用HCl/LiF選擇性刻蝕掉Al層制備出了多層Ti3C2Tx（m-Ti3C2Tx），然后進(jìn)一步超聲波，將m-Ti3C2Tx剝離為單層Ti3C2TxMXene。研究者通過液相多元醇法合成了AgNW，平均直徑約為50 nm，長(zhǎng)徑比約為800。
在合成了所需的原料后，研究者采用兩步真空輔助過濾（TVAF）和熱壓技術(shù)成功制備出了雙層結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料：第一步，將濃度為0.5 mg/mL的ANF分散液（80 mL）通過真空過濾到尼龍多孔膜上（真空過濾I）；隨后，將一定量的MXene和AgNW通過超聲處理得到均勻的混合物溶液；第二步通過真空過濾將其沉積在ANF/尼龍膜的上部（真空過濾II）；最后，在60℃和1MPa的熱壓下干燥，將雙層納米復(fù)合材料從尼龍膜上剝離即可。作為對(duì)比，研究者還采用一步真空法制備了這種材料，也就是“磚瓦房”。
采用TVAF制備的雙層結(jié)構(gòu)與一步法完全不同，雙層結(jié)構(gòu)上表面為黑灰色（MXene/AgNW），下表面上為黃色（ANF的顏色），而一步法均勻混合的“磚瓦房”上下表面均為相同的黑色。不僅如此，雙層結(jié)構(gòu)在上表面顯示出葉狀的MXene/AgNW納米結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)由1D的AgNWs作為導(dǎo)電骨架（靜脈），2D的Ti3C2TxMXene作為連接（薄片）構(gòu)成，兩者互補(bǔ)結(jié)合后，在ANF上構(gòu)建了連續(xù)且高效的3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)電子的快速傳輸。相比之下，一步法均勻混合的復(fù)合材料表現(xiàn)出均勻分布的ANF、Ti3C2TxMXene和AgNWs的“磚瓦房”結(jié)構(gòu)。
雙層納米復(fù)合材料的力學(xué)和導(dǎo)電性能
研究者發(fā)現(xiàn)隨著材料中MXene/AgNW含量的增加，形成了更有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，材料電導(dǎo)率增加：當(dāng)MXene/AgNW含量從5wt％增加到10wt％時(shí)，雙層和均勻混合的納米復(fù)合材料電導(dǎo)率分別從0.10和4.2增加到0.65和157.2 S·cm-1。與均勻混合的納米復(fù)合材料相比，雙層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更強(qiáng)的電導(dǎo)率，這與雙層結(jié)構(gòu)更高效MXene/AgNW導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)密不可分。當(dāng)MXene/AgNW含量為80 wt％時(shí)，雙層結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率高達(dá)3725.6 S·cm-1，而均勻混合結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率只有98.9 S·cm-1，整整高出37倍。
雙層結(jié)構(gòu)超柔韌性和優(yōu)異的機(jī)械性能對(duì)于設(shè)計(jì)高性能EMI屏蔽材料來說更具重要意義。雙層納米復(fù)合材料可以對(duì)折成兩半，并能承受500 g的重量，沒有出現(xiàn)任何裂縫或斷裂，表現(xiàn)出優(yōu)異機(jī)械性能。雙層納米復(fù)合材料在反復(fù)彎曲和拉伸時(shí)表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的實(shí)時(shí)相對(duì)電阻，R/R0在0.996和1.008之間，彎曲角度為200°時(shí)曲率半徑為4毫米?！癝UST”LED燈在反復(fù)彎曲和拉伸時(shí)具有穩(wěn)定的亮度，說明在施加應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)下材料出色柔韌性和導(dǎo)電穩(wěn)定性。
雙層納米復(fù)合材料的電磁屏蔽性能
研究發(fā)現(xiàn)在8.2-12.4 GHz（X波段）的頻率范圍內(nèi)，雙層和均勻混合納米復(fù)合材料都表現(xiàn)出良好的電磁屏蔽性能，但是雙層結(jié)構(gòu)性能更加優(yōu)異：當(dāng)MXene/AgNW含量為10%時(shí)，雙層納米材料EMI SE為35.5 dB，遠(yuǎn)高于20dB的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而均勻混合材料只有9.8 dB；當(dāng)MXene/AgNW含量為80 wt％時(shí)，雙層納米材料的EMI最高增加到80.0 dB，而均勻混合材料的EMI則提高到50.9 dB。從上述結(jié)果可以看到，只需要加入10wt％的MXene/AgNW，雙層納米材料電磁屏蔽效率就能達(dá)到99.97％，可以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求，而加入80 wt %的MXene/AgNW后，雙層納米復(fù)合材料能屏蔽99.999999％的入射電磁波。
雙層納米復(fù)合材料熱管理性能
雙層納米復(fù)合材料除了具有出色的機(jī)械和EMI屏蔽性能外，還具有優(yōu)秀的熱管理性能，可以用作高性能焦耳加熱器。當(dāng)MXene/AgNW含量為20 wt％時(shí)，雙層納米復(fù)合材料在1 V的低電壓下飽和溫度為 41.2℃，非常適合穿戴治療應(yīng)用；在2.5 V下，雙層納米復(fù)合材料的表面溫度在15 s內(nèi)就能迅速超過115℃。通過改變電壓就能輕松調(diào)節(jié)雙層納米復(fù)合材料的表面溫度，而且表面溫度分布均勻，材料即使被彎曲，熱管理性能也不會(huì)打折扣，可以在1小時(shí)內(nèi)維持75℃左右的溫度。
小結(jié)
陜西科技大學(xué)馬忠雷副教授、馬建中教授和西北工業(yè)大學(xué)顧軍渭教授課題組采用兩步真空輔助過濾（TVAF）和熱壓技術(shù)，制備出具有雙層結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合EMI材料ANF-MXene/AgNW。這種材料具有超柔韌性、優(yōu)異的機(jī)械性和高效EMI性能，同時(shí)還是一種高效的焦耳加熱器。當(dāng)將材料對(duì)折成兩半后仍然能承受500 g的重量，沒有出現(xiàn)任何裂縫或斷裂，表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性和機(jī)械性能。當(dāng)MXene/AgNW含量為80 wt％時(shí)，雙層結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率高達(dá)3725.6 S·cm-1，能屏蔽99.999999％的入射電磁波，而均勻混合結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率只有98.9 S·cm-1，整整高出37倍，如此優(yōu)異的性能與雙層結(jié)構(gòu)、ANF和各組分之間豐富的氫鍵相互作用密不可分。雙層納米復(fù)合材料在1 V的低電壓數(shù)秒內(nèi)就能達(dá)到41.2℃，并且非常穩(wěn)定；在2.5 V下，表面溫度在15 s內(nèi)就能迅速超過115℃，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱管理性能。
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