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瑞士EMPA曾志辉团队《Adv. Sci.》: 超细纳米纤维素CNF结合MXene构筑仿生、超轻、灵活可调且高效电磁屏蔽气凝胶
2020-07-24  来源:高分子科技

  瑞士联邦联邦材料科学与技术研究室(EMPA)曾志辉(Zhihui Zeng)博士研究员团队设计了一种具备超轻仿生且具有优异屏蔽效应和良好机械柔韧性的屏蔽气凝胶材料,这种材料密度只有1.5至8.0 mg/cm3,兼具有优秀的屏蔽效能(SE), 其EMI屏蔽效果分别可达到35.5 和74.6 dB。归一化表面的屏蔽效能SSE(材料屏蔽效能除以材料的厚度及密度)能达到189400 dB cm2/g,大大超过了迄今为止报道的其他大部分EMI屏蔽材料。该工作利用超薄纤维素纳米纤维(CNF)来协同构建具有定向仿生孔壁的超低密度MXenes气凝胶,且首次揭示了定向孔壁与入射EM波电场方向之间的角度对EMI屏蔽性能有着显著影响,提出了一种新颖的微结构设计策略。


  电磁屏蔽(EMI)在便携式电子设备、无线通信、航空航天、军事和医疗设备领域至关重要,是保证设备正常运转不可或缺的手段。随着新型电子器件的发展,迫切需要轻量化、柔韧性好、EMI性能好的材料。针对这种需求,研究者已经开发了众多功能性导电纳米复合材料或组件,如基于碳纳米管(CNT)、石墨烯、过渡金属碳化物(MXene)和金属纳米纤维的材料。其中,在自支撑的EMI材料中引入多孔结构,通过增加入射电磁波的反射次数可以有效提高屏蔽效能(SE),这种做法越来越受到人们的青睐。曾志辉团队率先设计各向异性多孔状屏蔽泡沫(Adv. Funct. Mater. 2016, 26 (2), 303-310, Small, 2017, 13 (34), 1701388),首次证明孔结构形状对屏蔽性能具有重要的影响,为后来大量研发该类电磁屏蔽材料提供了基础。同时该团队提出归一化表面的屏蔽效能SSE(材料屏蔽效能除以材料的厚度及密度)参数(Carbon,2016,96, 768-777, Adv. Funct. Mater. 2016, 26 (2), 303-310),充分有效对电磁屏蔽材料轻量化性能进行定量化比较,在该领域受到广大研究者的采纳。然而如何设计更多多孔结构,更深入了解电磁波与多孔结构的相互作用,同时如何有效的提高材料屏蔽性能SE及SSE一直是研究者面临的巨大挑战。


  曾志辉团队基于以上现状,利用天然高分子纤维素纤维,成功制备了稳定的CNF分散体,这些CNF的带有大量亲水性基团,可以和MXene均匀混合在水中而无需添加其他表面活性剂,同时这些CNF 具有超细尺寸(平均直径只有1.4nm),不仅能够有效的组装MXene形成具有贝壳类似的“砖-泥”仿生结构,提高材料力学性能,是的材料具有更低密度,还能最小化MXene片层之间的接触电阻,提高材料导电性能, CNF在气凝胶制造过程中还可以作为有效的结构导向剂,从而形成定向互连的MXene混合孔壁,设计获得类蜂窝仿生结构的各向异性多孔结构。该团队进一步通过有效调控纳米纤维素含量,孔隙率大小,及取向孔壁与入射电磁波电磁方向等灵活有效的调节了电磁屏蔽性能,最终实现超低密度,高电磁屏蔽性能的仿生气凝胶,为其它相关研究提供了重要参考。改工作近期以题为“Nanocellulose-MXene Biomimetic Aerogels with Orientation-Tunable Electromagnetic Interference Shielding Performance”的论文发表在《Advanced Science》上。该工作得到瑞士联邦联邦材料科学与技术研究室(EMPA)张传芳团队支持及帮助。


图1. 仿生气凝胶制备过程及结构表征图。


图2. 仿生气凝胶屏蔽调控策略。


图3. 仿生气凝胶电磁屏蔽性能及比较。


  瑞士联邦联邦材料科学与技术研究室(EMPA)曾志辉博士团队,利用MXene的内在特性、结构以及CNF和MXene纳米片之间的相互作用,设计出一种超低密度、柔韧性好的CNF/MXene仿生气凝胶,具有超高电磁屏蔽性能。该气凝胶通过仿生策略,由取向的、完整的孔壁构成。其优异的EMI屏蔽效果取决于构筑单元相互作用及取向的孔壁与电磁波电场之间的夹角。这种超轻型气凝胶表现出的屏蔽性能远远超过了在其他文献中报道的大部分EMI屏蔽材料,使得具有极高EMI屏蔽性能的MXene/CNF复合材料在电子器件中的进一步应用成为可能。


  原文链接:

  Zhihui Zeng, Changxian Wang, Gilberto Siqueira, Daxin Han, Anja Huch, Sina Abdolhosseinzadeh, Jakob Heier

Frank Nüesch, Chuanfang (John) Zhang, Gustav Nystr?m , Nanocellulose‐MXene Biomimetic Aerogels with Orientation‐Tunable Electromagnetic Interference Shielding Performance,  Advanced Science, 2020, 2000979

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202000979


作者介绍:


  近年来,瑞士联邦理工学院联邦材料研究所曾志辉博士在电磁屏蔽材料的设计、制备、构筑及应用领域的研究不断取得新的进展。通过探索对不同导电纳米材料及高分子聚合物的制备工艺,原创性地开发了一系列轻质,高效的电磁屏蔽材料,包括首次制备各向异性多孔状屏蔽材料,证明孔结构形状对屏蔽性能具有重要的影响(Adv. Funct. Mater. 2016, Small, 2017),提出归一化表面的屏蔽效能SSE(材料屏蔽效能除以材料的厚度及密度)概念,充分有效对电磁屏蔽材料轻量化性能进行定量化比较,(Carbo 2016, Adv. Funct. Mater. 2016), 为电磁屏蔽领域的研究提供了许多重要参考。这些相关的研究工作以第一作者或通讯作者发表在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., ACS Nano, Small, JMCA, ACS AMI, Carbon等著名国际前沿期刊,SCI论文引用1000余次。目前该团队诚邀有志青年加入,共同发展。

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(责任编辑:xu)
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