西北工業(yè)大學(xué)顧軍渭教授課題組通過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)模化生產(chǎn)的電磁屏蔽復(fù)合材料對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，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，但通常會帶來加工困難和力學(xué)強(qiáng)度差的問題。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)氧樹脂納米復(fù)合材料（圖1）。研究了Ti3C2Tx體積分?jǐn)?shù)對TCTA/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料σ和EMI SE的影響，并深入探討了TCTA/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理和電磁屏蔽機(jī)理。
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在熱還原過程中并未產(chǎn)生明顯的氧化（圖2）。
TCTA/環(huán)氧樹脂納米復(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）。
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)氧樹脂納米復(fù)合材料對電磁波產(chǎn)生了較強(qiáng)的電損耗并將其轉(zhuǎn)化為了熱能。同時，TCTA的3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)通過多次反射或散射延長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)氧樹脂納米復(fù)合材料的σ，而且更充分地利用了TCTA/環(huán)氧樹脂界面對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)氧樹脂納米復(fù)合材料對電磁波的損耗。
3、未來展望
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、作者簡介
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)樹脂基透波復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)/功能一體化設(shè)計、制備及加工研究。主持國家自然科學(xué)基金、基礎(chǔ)JQ計劃技術(shù)領(lǐng)域基金項(xiàng)目、陜西省杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目等國家級、省部級項(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年中國百篇最具影響國際學(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)和受理國家發(fā)明專利37項(xiàng)。
