MXene导电网络的构筑及其聚合物电磁屏磁复合材料
通讯技术的革新推动各类移动便携设备的迭代更新。电子设备呈现更加小型化、柔性化以及高度集成化的发展趋势。因此，电磁屏蔽材料需要具有定制化的外观和形变能力，以满足新型电子设备的需求。过渡金属碳/氮化合物(MXenes)，特别是Ti3C2T，由于其独特的层状结构、可与金属媲美的导电性和简便的加工性能，成为高效电磁屏蔽材料的理想选择。但是典型的二维纳米片层在聚合物中易团聚、难分散，影响MXene高效电荷传导网络的形成。并且现有MXene电磁屏蔽材料受限于制备方法，难以获得适形外观直接封装在结构复杂的电路板中。本文研究MXene导电网络的构筑及其聚合物复合材料的电磁屏蔽性能，一方面采用预先构筑导电网络-后复合聚合物的方法避免纳米片层在聚合物基体中出现团聚;另一方面采用油墨直写方法构筑立体导电网络和挤出印刷方法制备柔性图案化导电网络，实现MXene电磁屏蔽材料外观的精确设计。此外，结合MXene导电网络与热致变色聚合物制备电磁波致热变色复合材料。通过实验证实，该材料在高强度电磁场刺激下呈现肉眼可见的颜色转变(蓝色-红色)，为电磁波的可视化提供一种新方法。主要研究结论如下: (1)在定向多孔MXene气凝胶及其聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合泡沫的电磁屏蔽性能研究方面，针对MXene纳米片易在聚合物基体中团聚的问题，采用预先构筑导电网络后涂覆聚合物的方法制备轻质、高导电、耐压缩的MXene/PDMS复合泡沫。采用定向冷冻-干燥的方法预先制备MXene多孔导电网络。SA与MXene间丰富的氢键将MXene片层连接起来形成定向多孔气凝胶。该气凝胶具有2211Sm-1的出色电导率和高达70.5dB的EMI屏蔽效率。然后采用真空辅助浸渍的方法在气凝胶表面涂覆PDMS薄层，得到轻质、耐压缩、高导电MXene/PDMS复合泡沫。在MXene含量仅为6.1wt％时，厚度为2mm的复合泡沫表现出53.9dB的EMI屏蔽效能，并且在500次压缩-释放循环后屏蔽效能保留率约为90％，可用作电磁屏蔽垫片防止电磁波的泄露。 (2)在油墨直写MXene电磁屏蔽构件及其电磁波致热变色应用方面，针对现有三维电磁屏蔽材料制备手段难以获得复杂外观的问题，采用3D打印的方法灵活设计宏观形貌，并通过离子交联改善打印花丝接触界面，获得高导电立体导电网络。在MXene浆料中加入刚性AlOOH纳米颗粒获得具有适宜粘弹性的油墨直写墨水。然后通过油墨直写方法打印定制化的立体构件。接着，将构件浸入AlCl3/HCl混合溶液，交联增强MXene构件并去除绝缘的AlOOH纳米颗粒，实现力学增强与轻量化的统一。冷冻干燥后的MXene构件获得5323Sm-1的超高电导率与72.4mgcm-3的低密度。并且改变油墨组成、印刷层数、花丝间距等参数可以实现构件屏蔽效能在25-80dB内的灵活调节。更有趣的是，将MXene构件与热致变色t-PDMS结合制备电磁波致热变色材料。在50W电磁场刺激下，MXene电磁致热变色材料在3s内呈现肉眼可辨的蓝色-红色转变，提供了一种实现电磁波可视化的新方法。 (3)在挤出印刷柔性、超薄MXene电磁屏蔽网栅及焦耳热应用方面，采用挤出印刷方法制备具有复杂图案的MXene网栅。利用大径厚比MXene片层易于形成低浓度高粘弹性悬浮液的特点，制备了无添加剂的大尺寸少层MXene墨水。控制适宜的墨水挤出速度与印刷速度，确保复杂图案的顺利印刷。然后将印刷的网栅浸渍在盐酸溶液中以调节MXene片层间距。室温下自然干燥24h后，获得自支撑、超薄、高导电的MXene网栅。质子酸的渗透大大提高MXene网栅的取向度并减小其内部孔隙，使其导电与力学性能显著提升。在网栅纵横花丝间距为1mm，厚度仅为9.5μm时，电磁屏蔽效能在整个X波段均＞50dB，并且改变花丝间距也可以灵活调节屏蔽效能。此外，酸处理后的网栅具有良好的能量转换效率和稳定的焦耳加热能力，在1V电压下可以达到58℃的稳定温度。这种柔性、超薄、图案化MXene网栅在柔性EMI屏蔽和热管理材料领域具有广阔的应用前景。
聚合物复合材料;MXene;导电网络;电磁屏蔽;油墨直写;电磁波致热变色
北京化工大学
博士
材料科学与工程
于中振;张好斌
2021
中文
TB33
2021-09-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）