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电磁屏蔽高分子复合材料新进展|西北工业大学顾军渭教授课题组

作者: Research编辑部

时间: 2020-08-06 15:23

​西北工业大学顾军渭教授课题组通过控制冷冻方式和不同填料比调控其微结构成功制备出一种轻质、简单易得、可塑性强的高导电、高屏蔽效能、优异力学性能和突出热稳定性的纤维素纳米纤维/Ti3C2Tx MXene气凝胶/环氧树脂纳米复合材料。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

论文地址:

https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/4093732/

研究背景

质轻、力学性能优异且电磁屏蔽效能(EMI SE)高,尤其能实现复杂结构件成型以及规模化生产的电磁屏蔽复合材料对航空航天武器装备的研制发展及更新换代具有十分重大的理论意义和指导价值。相比传统金属基屏蔽材料(如铜、铝和镍等),聚合物基导电复合材料凭借比强度高、性能可调、化学稳定性优异以及电导率(σ)较高等优势,在电磁屏蔽领域受到青睐。机械共混法是制备聚合物基导电复合材料的常用方法,但通常会带来加工困难和力学强度差的问题。构筑3D导电网络被证明是一种以低用量导电填料实现聚合物基复合材料高EMI SE的有效方式。相比随机排列的各向同性3D导电网络,序列化3D导电网络不仅有利于进一步降低形成导电网络的阈值,还可以更高效地利用填料/聚合物界面,增强在序列化结构间电磁波的反射和重吸收,提升对电磁波的损耗能力。

研究进展

西北工业大学顾军渭教授课题组利用氢键作用将CNF与Ti3C2Tx复合,通过定向冷冻策略并经热还原-真空辅助浸渍法制备出序列化结构的热还原纤维素纳米纤维/Ti3C2Tx气凝胶(TCTA)/环氧树脂纳米复合材料(图1)。研究了Ti3C2Tx体积分数对TCTA/环氧树脂纳米复合材料σ和EMI SE的影响,并深入探讨了TCTA/环氧树脂纳米复合材料的导电机理和电磁屏蔽机理。

图1 TCTA/环氧树脂电磁屏蔽纳米复合材料制备示意图(a)、Ti3C2Tx与CNF氢键作用示意图(b)及部分复杂形状的TCTA实物图片(c)

Ti3C2Tx与CNF相互支撑促进了3D多孔结构的高效形成。热还原后,TCTA仍维持着定向冷冻形成的序列化多孔结构,泡孔尺寸随Ti3C2Tx体积分数的增加逐渐减小,且Ti3C2Tx在热还原过程中并未产生明显的氧化(图2)。

图2 TCTA的微观结构形貌(SEM)和化学组成(Raman、XPS)分析

TCTA/环氧树脂纳米复合材料的σ随Ti3C2Tx体积分数的增加迅速提升,其渗滤阈值为0.20 vol%。随着Ti3C2Tx体积分数的增加,Ti3C2Tx之间接触更紧密,更易形成发达的导电通路。且TCTA中Ti3C2Tx片层沿轴向序列化排列,使传输电子的能力更强,从而展现出较随机排列CNF/Ti3C2Tx 3D结构更高的σ。随着Ti3C2Tx体积分数的增加,TCTA/环氧树脂纳米复合材料的EMI SE稳步提升,其吸收占主导地位,为吸收屏蔽机理。相比已发表工作,TCTA/环氧树脂纳米复合材料凭借序列化3D导电网络以较低Ti3C2Tx用量(0.82、1.11和1.38 vol%)达到了较高的SE/d(28、32和37 dB mm-1),展现出了极优的电磁屏蔽性能(图3)。

图3 TCTA/环氧树脂电磁屏蔽纳米复合材料的电导率、屏蔽性能及机理示意图

大量Ti3C2Tx片层包裹在CNF上,并相互搭接为泡孔孔壁,形成了高效的3D导电网络(图4)。由于Ti3C2Tx本体极高的σ,使TCTA/环氧树脂纳米复合材料对电磁波产生了较强的电损耗并将其转化为了热能。同时,TCTA的3D导电网络通过多次反射或散射延长了电磁波的传输路径,进一步促进了电磁波的重吸收。更为重要的是,相比随机排列的CNF/Ti3C2Tx 3D结构,TCTA独特的序列化3D导电网络不但明显提高了TCTA/环氧树脂纳米复合材料的σ,而且更充分地利用了TCTA/环氧树脂界面对电磁波的反射和重吸收,从而展现出更高的EMI SE。此外,TCTA拥有较大的比表面积和丰富的界面,凭借其界面极化等作用进一步增强了TCTA/环氧树脂纳米复合材料对电磁波的损耗。

图4 TCTA/环氧树脂电磁屏蔽纳米复合材料的SEM侧视图(a-g')、HRTEM(h')、STEM(h-h''')照片以及对应的HAADF和元素映射图像

未来展望

TCTA的序列化3D导电网络使电磁波在TCTA/环氧树脂纳米复合材料内进行高效的多重反射和重吸收,从而耗散在复合材料内部,其屏蔽机理以吸收为主。这种微结构调控策略以及超高屏蔽效能的序列化3D MXene结构的制备将极大地拓宽MXene纳米材料在EMI领域中的应用。

作者简介

顾军渭,教授、博导,陕西省杰出青年科学基金获得者。主要从事功能高分子复合材料和先进树脂基透波复合材料的结构/功能一体化设计、制备及加工研究。主持国家自然科学基金、基础JQ计划技术领域基金项目、陕西省杰出青年科学基金项目等国家级、省部级项目18项。以第一作者/通讯作者在Angew Chem Int Edit, ACS Nano, Sci Bull, Compos Sci Technol, Research和Chinese J Polym Sci等期刊发表学术论文100余篇,入选第一作者/通讯作者ESI热点论文25篇、ESI高被引论文35篇;1篇论文入选2018年中国百篇最具影响国际学术论文。SCI总引用6300余次(近五年SCI引用5700余次),H因子48。授权和受理国家发明专利37项。

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