MXene基柔性多功能电磁屏蔽薄膜的结构构筑与性能研究

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电信技术的爆炸式发展以及电子设备的革新换代引起人们对电磁辐射问题的关注。电磁波干扰(EMI)不仅影响设备的正常工作,而且威胁人们的身体健康。解决电磁污染最有效的途径之一是制备超薄质轻、衰减能力强、机械稳定性好的电磁屏蔽材料。截至目前,新型二维MXene凭借其优异的导电性、独特的层状结构、可调表面化学和易溶液加工性,在电磁屏蔽领域展现出巨大的潜力。但是,单组分MXene基屏蔽材料存在较差的力学强度、不耐氧化和功能单一等问题,严重限制其应用领域。本论文通过组分调控以及结构优化,构建了MXene基柔性多功能电磁屏蔽薄膜,并且研究了组分协同效应、层状结构优化以及预制导电网络结构对其导电性能、力学强度、电磁波衰减等影响机制。具体的研究内容和结果如下:(1)基于不同维度材料间的协同增强效应,通过真空过滤方法制备出仿贝壳层结构MXene/SWNTs薄膜。高长径比SWNTs的掺杂降低了MXene片层间的接触电阻,提高了复合薄膜的导电性能和电磁屏蔽性能。组分间的互穿网络结构及整体的类贝壳层结构提高了MXene的力学强度,赋予复合薄膜耐弯折性。优化MXene和SWNTs的比值,其力学强度达到41.7 MPa,电导率为1851.9S/cm,电磁屏蔽效能(EMI SE)为78.9 d B。当厚度为296μm时,其EMI SE高达108.1 d B。同时,复合薄膜在极端环境下保持出色的稳定性,如超声处理、酸碱腐蚀、高低温处理以及燃烧处理等。此外,复合薄膜展现出良好的光热转换性能,扩展其应用领域。在100 m W/cm~2的光强下,其表面温度达到66.2 ℃。(2)受隔离结构、贝壳层结构的启发,通过交替真空过滤方法,制备出交替多级层结构MXene@CNF薄膜。独立分布的MXene层利于电子传输,提高复合薄膜的导电性能和电磁屏蔽性能。交替有序的CNF层作为骨架支撑,保证MXene的结构稳定性,提高复合薄膜的力学强度并赋予其良好的柔性。优化MXene层的层数,交替多层薄膜的力学强度达到112.5 MPa,电导率为143 S/m,EMI SE为39.6 d B。当MXene含量为80 wt%时,其EMI SE达到55.5 d B。此外,复合薄膜展现出优异的焦耳加热性能,保证聚合物低温环境下的稳定性。在6 V的电压下,其表面温度在10 s内可达到100 ℃以上。(3)通过层层真空过滤方法,制备出非对称夹层结构MXene@Ag NW@CNF薄膜。独立分布的MXene和Ag NW芯层提高电子传输和声子传递,赋予复合薄膜优异的导电性、电磁屏蔽性能以及导热性能。CNF皮层保证芯层结构的稳定性,提高复合薄膜的力学强度并赋予其出色的耐弯折性。通过组分比的优化,非对称夹层薄膜的力学强度为118 MPa,电导率高达37378 S/m,EMI SE为55.9d B,面内热导率达到15.53 W/m K。当导电填料为80 wt%时,其EMI SE达到75.8 d B。此外,复合薄膜表现出优异的光热转换性能,在100 m W/cm~2的光强下,其表面温度达到83.6 ℃。(4)通过两步真空过滤方法,制备出Janus双层结构MXene/PEDOT:PSS@ANF薄膜。独立排布的MXene/PEDOT:PSS层提高复合薄膜的导电性和电磁屏蔽性能。其中,PEDOT:PSS的掺杂提高MXene层与ANF层的界面结合力并赋予导电层良好的疏水性能(122.2o),提高导电层耐水流冲蚀性。ANF层的力学支撑以及导电层与基底层间的氢键作用显著提高复合薄膜的力学强度和耐弯折性。当MXene和PEDOT:PSS质量比为7:1时,Janus结构薄膜的力学强度和断裂伸长率分别高达155.9 MPa和20%,面电阻低至2.18Ω/sq,EMI SE为45.1 d B。当厚度为47μm时,其EMI SE达到63.7 d B。此外,复合薄膜具有出色的焦耳加热性能和光热转换能力,拓宽其应用范围。当施加电压为4 V时,其表面温度可以高达382 ℃。当光强为100 m W/cm~2,其温度为59.6 ℃。(5)预制导电网络结构的构筑,是制备高效透明电磁屏蔽薄膜的一种可行性方法。通过喷涂-旋涂-热压相结合工艺,制备出透明的MXene/Ag NW-PVA屏蔽薄膜。一维/二维导电填料的协同作用以及预制导电网络结构的构筑,降低了MXene的接触电阻,提高透明薄膜的导电性能和电磁屏蔽性能并使其展现出良好的透光率。PVA固定转移增强导电网络与PVA基底的界面结合力,提高了复合薄膜的耐刮擦性和耐弯折性。优化MXene和Ag NW的面密度,透明薄膜的面电阻低至18.3Ω/sq,透光率保留52.3%。在厚度仅有10μm时,透明薄膜在X波段及K波段均展现出良好的EMI SE(均大于30 d B)。此外,透明薄膜表现出优异的焦耳加热性能和稳定性,当施加电压为5 V时,其表面温度仅10 s便达到118 ℃。
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