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Research科學研究
《Research》是《Science》自1880年創刊以來進行海外合作的第一本科技期刊，由科技導報社2018年出版，主要發布交叉學科熱點領域的最新突破性科研進展。《Science》為《Research》提供國際化的出版平臺和推廣服務。
西北工業大學顧軍渭教授課題組通過控制冷凍方式和不同填料比調控其微結構成功製備出一種輕質、簡單易得、可塑性強的高導電、高屏蔽效能、優異力學性能和突出熱穩定性的纖維素納米纖維/Ti3C2Tx MXene氣凝膠/環氧樹脂納米複合材料。相關成果以「3D Shapeable, Superior Electrically Conductive Cellulose Nanofibers/Ti3C2Tx MXene Aerogels/Epoxy Nanocomposites for Promising EMI Shielding」為題發表在Research上（Research, 2020, 2020: 4093732, DOI: 10.34133/2020/4093732）。
1.研究背景
質輕、力學性能優異且電磁屏蔽效能（EMI SE）高，尤其能實現複雜結構件成型以及規模化生產的電磁屏蔽複合材料對航空航天武器裝備的研製發展及更新換代具有十分重大的理論意義和指導價值。相比傳統金屬基屏蔽材料（如銅、鋁和鎳等），聚合物基導電複合材料憑藉比強度高、性能可調、化學穩定性優異以及電導率（σ）較高等優勢，在電磁屏蔽領域受到青睞。機械共混法是製備聚合物基導電複合材料的常用方法，但通常會帶來加工困難和力學強度差的問題。構築3D導電網絡被證明是一種以低用量導電填料實現聚合物基複合材料高EMI SE的有效方式。相比隨機排列的各向同性3D導電網絡，序列化3D導電網絡不僅有利於進一步降低形成導電網絡的閾值，還可以更高效地利用填料/聚合物界面，增強在序列化結構間電磁波的反射和重吸收，提升對電磁波的損耗能力。
2.研究進展
西北工業大學顧軍渭教授課題組利用氫鍵作用將CNF與Ti3C2Tx複合，通過定向冷凍策略並經熱還原-真空輔助浸漬法製備出序列化結構的熱還原纖維素納米纖維/Ti3C2Tx氣凝膠（TCTA）/環氧樹脂納米複合材料（圖1）。研究了Ti3C2Tx體積分數對TCTA/環氧樹脂納米複合材料σ和EMI SE的影響，並深入探討了TCTA/環氧樹脂納米複合材料的導電機理和電磁屏蔽機理。
圖1 TCTA/環氧樹脂電磁屏蔽納米複合材料製備示意圖（a）、Ti3C2Tx與CNF氫鍵作用示意圖（b）及部分複雜形狀的TCTA實物圖片（c）
Ti3C2Tx與CNF相互支撐促進了3D多孔結構的高效形成。熱還原後，TCTA仍維持著定向冷凍形成的序列化多孔結構，泡孔尺寸隨Ti3C2Tx體積分數的增加逐漸減小，且Ti3C2Tx在熱還原過程中並未產生明顯的氧化（圖2）。
圖2 TCTA的微觀結構形貌（SEM）和化學組成（Raman、XPS）分析
TCTA/環氧樹脂納米複合材料的σ隨Ti3C2Tx體積分數的增加迅速提升，其滲濾閾值為0.20 vol%。隨著Ti3C2Tx體積分數的增加，Ti3C2Tx之間接觸更緊密，更易形成發達的導電通路。且TCTA中Ti3C2Tx片層沿軸向序列化排列，使傳輸電子的能力更強，從而展現出較隨機排列CNF/Ti3C2Tx 3D結構更高的σ。隨著Ti3C2Tx體積分數的增加，TCTA/環氧樹脂納米複合材料的EMI SE穩步提升，其吸收佔主導地位，為吸收屏蔽機理。相比已發表工作，TCTA/環氧樹脂納米複合材料憑藉序列化3D導電網絡以較低Ti3C2Tx用量（0.82、1.11和1.38 vol%）達到了較高的SE/d（28、32和37 dB mm-1），展現出了極優的電磁屏蔽性能（圖3）。
圖3 TCTA/環氧樹脂電磁屏蔽納米複合材料的電導率、屏蔽性能及機理示意圖
大量Ti3C2Tx片層包裹在CNF上，並相互搭接為泡孔孔壁，形成了高效的3D導電網絡（圖4）。由於Ti3C2Tx本體極高的σ，使TCTA/環氧樹脂納米複合材料對電磁波產生了較強的電損耗並將其轉化為了熱能。同時，TCTA的3D導電網絡通過多次反射或散射延長了電磁波的傳輸路徑，進一步促進了電磁波的重吸收。更為重要的是，相比隨機排列的CNF/Ti3C2Tx 3D結構，TCTA獨特的序列化3D導電網絡不但明顯提高了TCTA/環氧樹脂納米複合材料的σ，而且更充分地利用了TCTA/環氧樹脂界面對電磁波的反射和重吸收，從而展現出更高的EMI SE。此外，TCTA擁有較大的比表面積和豐富的界面，憑藉其界面極化等作用進一步增強了TCTA/環氧樹脂納米複合材料對電磁波的損耗。
圖4 TCTA/環氧樹脂電磁屏蔽納米複合材料的SEM側視圖（a-g'）、HRTEM（h'）、STEM（h-h'''）照片以及對應的HAADF和元素映射圖像
3.未來展望
TCTA的序列化3D導電網絡使電磁波在TCTA/環氧樹脂納米複合材料內進行高效的多重反射和重吸收，從而耗散在複合材料內部，其屏蔽機理以吸收為主。這種微結構調控策略以及超高屏蔽效能的序列化3D MXene結構的製備將極大地拓寬MXene納米材料在EMI領域中的應用。
4.作者簡介
顧軍渭，教授、博導，中國複合材料學會導熱複合材料專業委員會常務副主任委員，陝西省傑出青年科學基金獲得者。主要從事功能高分子複合材料和先進樹脂基透波複合材料的結構/功能一體化設計、製備及加工研究。主持國家自然科學基金、基礎JQ計劃技術領域基金項目、陝西省傑出青年科學基金項目等國家級、省部級項目18項。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等期刊發表學術論文100餘篇，入選第一作者/通訊作者ESI熱點論文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術論文。SCI總引用6300餘次（近五年SCI引用5700餘次），H因子48。授權和受理國家發明專利37項。
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原標題：《【行業資訊】西北工業大學顧軍渭教授課題組關於電磁屏蔽高分子複合材料研究的新進展》
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