多功能MXene基电磁屏蔽与热伪装薄膜的制备、结构与性能研究

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随着通信技术的迅速发展和电子设备的广泛应用,电磁污染已经成为工业、商业以及军事等领域不容忽视的问题,这些电磁辐射干扰不仅会影响精密电子仪器及系统的正常使用,还会污染环境及影响人类健康。因此,需要有效的举措来控制或减轻电磁污染。电磁屏蔽材料是实现高效电磁屏蔽的关键因素。传统的电磁屏蔽材料以金属材料及聚合物复合材料为主,但已难满足快速发展的可穿戴电子设备的要求。与此同时,日益复杂和多元化的电子器件使用环境对电磁屏蔽材料的功能特性提出了更高的要求,如热伪装、防火、各向异性导热以及高强度和韧性等。因此,设计构筑新型多功能电磁屏蔽复合材料对解决电磁污染具有重要意义和价值。针对上述问题,本文以MXene为基体,引入其它二维纳米材料如纳米蒙脱土(MMT)和氧化石墨烯(GO)等,通过简单的真空辅助抽滤法构筑了多功能MXene基电磁屏蔽复合薄膜,并对其电磁屏蔽、热伪装、各向异性导热、耐火及力学性能进行了深入研究,主要内容如下:(1)采用真空辅助抽滤法制备了一系列不同厚度的高温热伪装MXene电磁屏蔽薄膜。研究发现,Ti3C2Tx MXene在中红外波段的发射率低至0.19,与金属材料相当且低于石墨烯等其它二维材料。不同厚度的MXene薄膜均表现出优异的高温热伪装性能,室内/外环境下可将高温目标物体(>500℃)的辐射温度降低300℃以上,并且长时间高温下和燃烧后还具有良好的热伪装性能。与此同时,MXene薄膜在低温(-10℃)下也能表现出优异的热伪装性能。此外,MXene薄膜还具有电加热下的热伪装性能。MXene薄膜具有优异的电磁屏蔽性能,13μm厚的MXene薄膜的电导率和电磁屏蔽效能(EMI SE)分别可达1105 S/cm和59 d B,绝对屏蔽效能(SSEt)高达22210 d B cm2/g。(2)通过将MMT引入至MXene中,采用真空辅助抽滤法制备了一系列具有类珍珠层结构的高各向异性导热、防火MXene/MMT电磁屏蔽与热伪装复合薄膜。引入的MMT能够与MXene产生氢键相互作用,诱导MXene纳米片沿平面方向有序取向。MXene/MMT复合薄膜表现出优异的电磁屏蔽性能,当MMT的含量为10 wt%时,复合薄膜的电导率和EMI SE分别为566 S/cm和67 d B,即使在高温和加热情况下EMI SE也能保持在55 d B以上。与此同时,MXene/MMT复合薄膜具有优异的热伪装性能,室内环境下可将高温目标物体(~400℃)的辐射温度降低240℃以上。此外,MXene/MMT复合薄膜表现出优异的各向异性导热性能,面内导热系数(λx)为28.8 W/m K,面外导热系数(λz)为0.27 W/m K,各向异性指数为107。(3)通过将GO引入至MXene中,采用真空辅助抽滤法制备了具有交替多层结构的MXene@GO复合薄膜,研究其电磁屏蔽、热伪装、力学、各向异性导热性能。通过控制MXene@GO交替多层复合薄膜的层数,可以调节MXene@GO交替多层复合薄膜的性能。MXene@GO交替多层复合薄膜表现出优异的电磁屏蔽性能,当其层数为7层时,其电导率和EMI SE分别为3326 S/cm和57 d B,SSEt高达35955 d B cm2/g。与此同时,MXene@GO交替多层复合薄膜具有优异的热伪装性能,室内环境下可将高温目标物体(~400℃)的辐射温度降低260℃以上。当交替多层复合薄膜的层数为7层时,其拉伸强度和韧性分别为163.7 MPa和4.27 MJ/m3。此外,MXene@GO交替多层复合薄膜具有优异的各向异性导热性能,λx为22.8 W/m K,λz为0.25 W/m K,各向异性指数为92。
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