科学网—北交大梁本亮/颜鲁婷&北航王广胜等：“一石三鸟”制备高强韧MXene/ANF-MoS₂电磁屏蔽多功能复合薄膜
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2024-11-18 18:21
| 系统分类: 论文交流
研究背景
通讯科技以及柔性电子器件的发展会产生一定的电磁污染问题。电磁污染会影响人类的身体健康，也对其他电子器件的运行造成影响。制备高强韧电磁屏蔽复合薄膜对解决电磁污染问题具有十分重大的意义。具有优良导电性能、电磁屏蔽性能以及力学性能的 MXene 纳米片作为导电填料已广泛应用到聚合物基电磁屏蔽复合物中。在此背景下，大量MXene/聚合物复合薄膜被制备出来。研究表明，高导电填料对复合薄膜实现优良电磁屏蔽性能至关重要，但高导电填料下，复合薄膜的力学性能往往会快速降低。因此，如何实现机械性能和功能性(高屏蔽性能等)统一，制备出具有高强韧和优良电磁屏蔽性能的多功能复合材料依旧是个挑战。同时，MXene的高导电性能会导致较高的电磁波反射，造成电磁波的二次反射污染。故，如何在柔性薄膜材料中降低电磁波的二次反射污染也是一个研究难题。因此，寻找一种简单的高效制备高强韧多功能复合材料的制备方法对功能复合材料的发展具有意义。
MoS₂ Lubricate Toughened MXene/ANF Composites for Multifunctional Electromagnetic Interference Shielding
Jiaen Wang, Wei Ming, Longfu Chen, Tianliang Song, Moxi Yele, Hao Zhang, Long Yang, Gegen Sarula, Benliang Liang*, Luting Yan*, Guangsheng Wang*
Nano-Micro Letters (2025)17: 36
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01496-
1. MoS₂的引入对 双组份 MXene/ANF复合薄膜具有“ 一石三鸟 ”的改善作用效果：润滑增韧 力学性能 ，降低电磁波的二次反射污染以及增强 光热转变性能 。同时，该薄膜具有优良的 电加热性能 。
2. MoS₂引入到双组份MXene/ANF(60:40)的复合体系后，复合薄膜的 应变和韧性 分别提高了53.5%(从18.3%升高至28.1%)和61.7%(从8.9升高至14.5 MJ/m3)，同时， SE R 降低了22.4%， 光热转变温 度 由~45 ℃升高至~55 ℃。
内容简介
芳纶纳米纤维具有优良的力学性能，其与功能填料的复合已有广泛研究，并在制备具有高强韧力学性能的复合薄膜领域中已有广泛应用，其与MXene复合制备了多种电磁屏蔽复合薄膜，然而其力学性能和机械性能还有待进一步的优化提高。MoS₂具有良好的润滑增韧力学性能、吸波性能以及光热转变性能，成为了制备复合材料理想的添加相。 北京交通大学物理科学与工程学院梁本亮、颜鲁婷等人，联合北京航空航天大学王广胜教授 通过真空辅助过滤-自组装-热压法制备了MXene/ANF-MoS₂电磁屏蔽复合薄膜。MoS₂纳米片引入到MXene/ANF复合体系后，MXene/ANF复合薄膜的力学性能展现出极大改善，在保留电磁屏蔽性能的同时降低了电磁波的二次反射，同时增强了光热转变性能。此外，三组份MXene/ANF-MoS₂电磁屏蔽复合薄膜展现出优良的电热性能。
图文导读
I MXene/ANF-MoS₂复合薄膜的制备
将MXene水分散液加入到ANF/DMSO分散体系中后，芳纶纳米纤维 质子化 生成3D互联的ANF网络结构，该结构保证了复合材料基本的力学性能。在加入MoS₂纳米片水分散液后，搅拌过程使得MXene和MoS₂两种纳米片与ANF纤维网络具有均匀的混合状态。经过真空辅助过滤自组装和热压过程，三种组份将会转变为具有仿贝壳层状结构的MXene/ANF-MoS₂(AMMO)复合薄膜。
图1. MXene/ANF-MoS₂复合薄膜制备过程。
I I MXene/ANF-MoS₂复合薄膜的力学性能
在双组份MXene/ANF(60:40)复合体系基础上，引入具有润滑增韧效应的MoS₂后，得到的三组份MXene/ANF-MoS₂复合薄膜展现出超长的断裂应变和高拉伸强度，其断裂应变和韧性分别提高了53.5%(从18.3%升高至28.1%)和61.7%(从8.9升高至14.5 MJ/m3)。经过对双组份MXene/ANF以及三组份MXene/ANF-MoS₂复合薄膜的断裂应变、拉伸强度以及韧性的对比(如图2 b-d)，表明MoS₂的引入对MXene/ANF复合体系的力学性能具有明显的改善增强作用。其中，片层拔出、层状结构的滑移、MoS₂的润滑增韧作用以及层间互联ANF纳米纤维的3D网络结构的变形断裂在材料拉伸过程中能够极大的耗散外部应力的能量，最终复合薄膜展现出优良的力学性能(应变25.8 ± 0.7%,强度 167.3 ± 9.1 MPa, 韧性26.3 ± 0.8MJ/m3 )。
图2 . (a)MXene/ANF-MoS₂复合薄膜的总应力应变曲线；双组份MXene/ANF复合薄膜与三组份MXene/ANF-MoS₂复合薄膜力学性能对比图：(b)断裂应变；(c)拉伸强度；(d)韧性；(e)AMMO与其他工作力学性能对比; 断裂表面SEM图：(f)5AMMO断裂表面, (g)放大的断裂表面图；(h)6AMMO断裂横截面图;(i)断裂机制图。
I I I MXene/ANF-MoS₂复合薄膜的电磁屏蔽性能
三组份MXene/ANF-MoS₂复合薄膜具有优良的电磁屏蔽性能，6AMMO复合薄膜的电磁屏蔽值达到了43.9 dB。MoS₂引入到双组份MXene/ANF复合体系中后，降低了电磁波的二次反射污染，5AMMO和6AMMO复合薄膜的SER值分别下降了10.8%和22.2%，同时吸收系数也具有一定的提升。引入的MoS₂增强了界面极化损失，增大了薄膜内部的电磁波的反射，这些因素与导电损失等多种损耗机制协同作用，最终三组份MXene/ANF-MoS₂复合薄膜展现出优良的电磁屏蔽性能。
图3. (a)MXene/ANF-MoS₂复合薄膜X波段的电磁屏蔽效能(8.2-12.4 GHz)；(b)平均反射值、吸收值及总值；(c)反射系数和吸收系数；MXene/ANF和MXene/ANF-MoS₂复合薄膜电磁屏蔽性能对比图：(d)反射值、(e)吸收值、(f)吸收系数；(g)电磁屏蔽机制图。
I V MXene/ANF-MoS₂复合薄膜的热性能
三组份MXene/ANF-MoS₂复合薄膜内部的MXene具有优良的电热性能，同时复合薄膜内部具有良好的导热网络，从而复合薄膜展现出优良的电热性能，即温度快速升高(15 s)、优良循环稳定性(2，2.5和3 V)以及长时间稳定运行(2520 s)的特点。同时MoS₂的引入对双组份MXene/ANF复合薄膜的光热性能具有极大的改善，光热转变温度由原始的MXene/ANF的~45 ℃提升到~55 ℃。
图4. (a)MXene/ANF-MoS₂复合薄膜在不同电压下的电热温度变化曲线；(b)循环电热测试温度变化曲线；(c)长时间电热测试温度变化曲线；(c)MXene/ANF复合薄膜和MXene/ANF-MoS₂复合薄膜的光热温度变化曲线；(d)长时间循环光热转变测试温度变化曲线。
V 综合性能对比
对双组份MXene/ANF和三组份MXene/ANF-MoS₂复合薄膜的力学性能、电磁屏蔽性能和热性能进行对比，可以发现在双组份MXene/ANF复合体系中引入MoS₂后，力学性能、电磁屏蔽性能以及光热转变性能均展现出极大地改善增强。在MXene:ANF (质量比60:40)的复合体系中引入MoS₂后，断裂应变由原始的18.3±1.9%增大至28.1±0.7%，SE R 值降低了22.2%，相应的6AMMO复合薄膜的电磁屏蔽值仍能够达到43.9 dB，光热转变温度由原始6AM的~45 ℃ 升高至6AMMO的~55 ℃。即MoS₂的引入对原始MXene/ANF复合体系具有三方面的改善效果：电磁屏蔽性能，力学性能以及光热转变性能。将本工作中的MXene/ANF-MoS₂复合薄膜与其他材料的断裂应变、填料含量以及电磁屏蔽性能进行综合对比，可以发现本工作中的MXene/ANF-MoS₂复合薄膜在不同填料含量下均显现出极大的优势，复合薄膜6AMMO和7AMMO的断裂应变值分别能够达到28.1±0.7%和24.5±1.6%，同时相应的电磁屏蔽值能够达到43.9 dB和45.0 dB，即复合薄膜同时具有优良的力学性能和电磁屏蔽性能。
图5. (a)复合薄膜6AM和6AMMO性能对比图；(b)MXene/ANF-MoS₂复合薄膜与其他材料的综合性能对比图。
V I 结论
通过真空辅助过滤、自组装和热压过程制备得到了具有仿贝壳层状结构的三组份MXene/ANF-MoS₂复合薄膜，引入的MoS₂对原始双组份MXene/ANF复合体系产生了“一石三鸟”的改善增强效果，电磁屏蔽性能、力学性能以及光热转变性能均具有明显的改善，同时MXene/ANF-MoS₂复合薄膜具有优良的电热性能。即本工作中的MXene/ANF-MoS₂复合薄膜为制备高韧性电磁屏蔽复合薄膜提供了一种方法，同时MXene/ANF-MoS₂复合薄膜表现出了极大的应用潜力。
作者简介
梁本亮
本文通讯作者
北京交通大学 副教授
▍ 主要研究 领域
致力于有机无机纳米材料表界面修饰调控及性能研究。具体应用为：隐身吸波、电磁屏蔽、导热及结构强度复合材料的制备及性能研究；光电纳米催化材料的制备及性能研究；轨道交通水泥基防渗水修复及增强涂料的研究；腐蚀与防腐纳米材料的制备及性能研究。
▍ 个人简介
北京交通大学物理科学与工程学院材料系，副教授，博士生导师。本科毕业于郑州大学和博士毕业于北京航空航天大学。相关成果在Nano-Micro Letters, Composites Part B: Engineering， Nano Research ， Carbon, J.Mater. Chem. A等国际重要学术期刊上发表SCI收录论文30余篇，热点论文1篇，ESI高被引论文1篇，授权发明专利3项。主持国自然面上基金1项，参与面上基金3项，主持企业等横向项多项。2023年荣获中国复合材料协会科技技术奖二等奖1项。
▍ Email： blliang@bjtu.edu.cn
颜鲁婷
本文通讯作者
北京交通大学 教授
▍ 主要研究 领域
ZnO纳米材料的可控制备、高电子迁移率透明导电薄膜、新型光催化材料的制备、纳米结构在聚合物、钙钛矿及染料敏化太阳能电池器件中的应用、光伏器件中界面层缺陷态的形成及钝化、电致变色及电磁屏蔽等领域的研究工作。
▍ 个人简介
北京交通大学物理科学与工程学院材料系，教授，博士生导师。主持国家自然科学基金项目2项，中央高校基本科研业务费项目2项，作为项目组主要成员参加973项目1项，教育部重点项目1项。在国内外学术刊物上发表学术论文30余篇，获授权发明专利2项。
▍ Email： ltyan@bjtu.edu.cn
王广胜
本文通讯作者
北京航空航天大学 教授
▍ 主要研究 领域
致力于吸波、屏蔽、储能等方向的纳米复合材料可控制备和特性调控相关研究工作。
▍ 个人简介
北京航空航天大学化学学院，教授，副院长，博士生导师。以第一或通讯作者在Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.等国际期刊上发表SCI论文130余篇(ESI 高被引论文11篇)，H引用因子50，被引8000余次(单篇引用超100次论文25篇)，授权发明专利7项。曾获北京市优秀博士学位论文、中国复合材料学会科学技术奖二等奖、北京市教学成果奖一等奖、吉林省自然科学技术奖二等奖等奖项。主持国家自然科学基金等国家级项目8项。任广东省锅炉传热介质标准化技术委员会副秘书长，中国复合材料学会电磁复合材料及应用专业委员会、人才评价工作委员会委员，IET Nanodielectric期刊编委。
▍ Email： wanggsh@buaa.edu.cn
撰稿 ：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
关于我们
Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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