西工大顧軍渭教授《Research》:電磁屏蔽高分子復(fù)合材料新進(jìn)展

西北工業(yè)大學(xué)顧軍渭教授課題組通過(guò)控制冷凍方式和不同填料比調(diào)控其微結(jié)構(gòu)成功制備出一種輕質(zhì)、簡(jiǎn)單易得、可塑性強(qiáng)的高導(dǎo)電、高屏蔽效能、優(yōu)異力學(xué)性能和突出熱穩(wěn)定性的纖維素納米纖維/Ti3C2Tx?MXene氣凝膠/環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料。相關(guān)成果以“3D Shapeable, Superior Electrically Conductive Cellulose Nanofibers/Ti3C2Tx?MXene Aerogels/Epoxy Nanocomposites for Promising EMI Shielding”為題發(fā)表在Research上(Research, 2020, 2020: 4093732, DOI: 10.34133/2020/4093732)。

1、研究背景

質(zhì)輕、力學(xué)性能優(yōu)異且電磁屏蔽效能(EMI SE)高,尤其能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成型以及規(guī)?;a(chǎn)的電磁屏蔽復(fù)合材料對(duì)航空航天武器裝備的研制發(fā)展及更新?lián)Q代具有十分重大的理論意義和指導(dǎo)價(jià)值。相比傳統(tǒng)金屬基屏蔽材料(如銅、鋁和鎳等),聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料憑借比強(qiáng)度高、性能可調(diào)、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異以及電導(dǎo)率(σ)較高等優(yōu)勢(shì),在電磁屏蔽領(lǐng)域受到青睞。機(jī)械共混法是制備聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料的常用方法,但通常會(huì)帶來(lái)加工困難和力學(xué)強(qiáng)度差的問(wèn)題。構(gòu)筑3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)被證明是一種以低用量導(dǎo)電填料實(shí)現(xiàn)聚合物基復(fù)合材料高EMI SE的有效方式。相比隨機(jī)排列的各向同性3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),序列化3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)不僅有利于進(jìn)一步降低形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的閾值,還可以更高效地利用填料/聚合物界面,增強(qiáng)在序列化結(jié)構(gòu)間電磁波的反射和重吸收,提升對(duì)電磁波的損耗能力。

2、研究進(jìn)展

西北工業(yè)大學(xué)顧軍渭教授課題組利用氫鍵作用將CNF與Ti3C2Tx復(fù)合,通過(guò)定向冷凍策略并經(jīng)熱還原-真空輔助浸漬法制備出序列化結(jié)構(gòu)的熱還原纖維素納米纖維/Ti3C2Tx氣凝膠(TCTA)/環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料(圖1)。研究了Ti3C2Tx體積分?jǐn)?shù)對(duì)TCTA/環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料σ和EMI SE的影響,并深入探討了TCTA/環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理和電磁屏蔽機(jī)理。

西工大顧軍渭教授《Research》:電磁屏蔽高分子復(fù)合材料新進(jìn)展
圖1 TCTA/環(huán)氧樹(shù)脂電磁屏蔽納米復(fù)合材料制備示意圖(a)、Ti3C2Tx與CNF氫鍵作用示意圖(b)及部分復(fù)雜形狀的TCTA實(shí)物圖片(c)

 

Ti3C2Tx與CNF相互支撐促進(jìn)了3D多孔結(jié)構(gòu)的高效形成。熱還原后,TCTA仍維持著定向冷凍形成的序列化多孔結(jié)構(gòu),泡孔尺寸隨Ti3C2Tx體積分?jǐn)?shù)的增加逐漸減小,且Ti3C2Tx在熱還原過(guò)程中并未產(chǎn)生明顯的氧化(圖2)。

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圖2 TCTA的微觀結(jié)構(gòu)形貌(SEM)和化學(xué)組成(Raman、XPS)分析

 

TCTA/環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料的σ隨Ti3C2Tx體積分?jǐn)?shù)的增加迅速提升,其滲濾閾值為0.20 vol%。隨著Ti3C2Tx體積分?jǐn)?shù)的增加,Ti3C2Tx之間接觸更緊密,更易形成發(fā)達(dá)的導(dǎo)電通路。且TCTA中Ti3C2Tx片層沿軸向序列化排列,使傳輸電子的能力更強(qiáng),從而展現(xiàn)出較隨機(jī)排列CNF/Ti3C2Tx?3D結(jié)構(gòu)更高的σ。隨著Ti3C2Tx體積分?jǐn)?shù)的增加,TCTA/環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料的EMI SE穩(wěn)步提升,其吸收占主導(dǎo)地位,為吸收屏蔽機(jī)理。相比已發(fā)表工作,TCTA/環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料憑借序列化3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)以較低Ti3C2Tx用量(0.82、1.11和1.38 vol%)達(dá)到了較高的SE/d(28、32和37 dB?mm-1),展現(xiàn)出了極優(yōu)的電磁屏蔽性能(圖3)。

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圖3 TCTA/環(huán)氧樹(shù)脂電磁屏蔽納米復(fù)合材料的電導(dǎo)率、屏蔽性能及機(jī)理示意圖

 

大量Ti3C2Tx片層包裹在CNF上,并相互搭接為泡孔孔壁,形成了高效的3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)(圖4)。由于Ti3C2Tx本體極高的σ,使TCTA/環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料對(duì)電磁波產(chǎn)生了較強(qiáng)的電損耗并將其轉(zhuǎn)化為了熱能。同時(shí),TCTA的3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)通過(guò)多次反射或散射延長(zhǎng)了電磁波的傳輸路徑,進(jìn)一步促進(jìn)了電磁波的重吸收。更為重要的是,相比隨機(jī)排列的CNF/Ti3C2Tx?3D結(jié)構(gòu),TCTA獨(dú)特的序列化3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)不但明顯提高了TCTA/環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料的σ,而且更充分地利用了TCTA/環(huán)氧樹(shù)脂界面對(duì)電磁波的反射和重吸收,從而展現(xiàn)出更高的EMI SE。此外,TCTA擁有較大的比表面積和豐富的界面,憑借其界面極化等作用進(jìn)一步增強(qiáng)了TCTA/環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料對(duì)電磁波的損耗。

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圖4 TCTA/環(huán)氧樹(shù)脂電磁屏蔽納米復(fù)合材料的SEM側(cè)視圖(a-g’)、HRTEM(h’)、STEM(h-h”’)照片以及對(duì)應(yīng)的HAADF和元素映射圖像

 

3、未來(lái)展望

TCTA的序列化3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)使電磁波在TCTA/環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料內(nèi)進(jìn)行高效的多重反射和重吸收,從而耗散在復(fù)合材料內(nèi)部,其屏蔽機(jī)理以吸收為主。這種微結(jié)構(gòu)調(diào)控策略以及超高屏蔽效能的序列化3D MXene結(jié)構(gòu)的制備將極大地拓寬MXene納米材料在EMI領(lǐng)域中的應(yīng)用。

4、作者簡(jiǎn)介

西工大顧軍渭教授《Research》:電磁屏蔽高分子復(fù)合材料新進(jìn)展

顧軍渭,教授、博導(dǎo),陜西省杰出青年科學(xué)基金獲得者。主要從事功能高分子復(fù)合材料和先進(jìn)樹(shù)脂基透波復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)/功能一體化設(shè)計(jì)、制備及加工研究。主持國(guó)家自然科學(xué)基金、基礎(chǔ)JQ計(jì)劃技術(shù)領(lǐng)域基金項(xiàng)目、陜西省杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目等國(guó)家級(jí)、省部級(jí)項(xiàng)目18項(xiàng)。以第一作者/通訊作者在Angew Chem Int Edit, ACS Nano, Sci Bull, Compos Sci Technol, Research和Chinese J Polym Sci等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇,入選第一作者/通訊作者ESI熱點(diǎn)論文25篇、ESI高被引論文35篇;1篇論文入選2018年中國(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文。SCI總引用6300余次(近五年SCI引用5700余次),H因子48。授權(quán)和受理國(guó)家發(fā)明專利37項(xiàng)。

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