在高性能電磁干擾(EMI)屏蔽領(lǐng)域,具備優(yōu)異屏蔽效應(yīng)且具有低消耗和良好機(jī)械柔韌性的屏蔽材料一直是研究者所迫切需要的。當(dāng)前,由納米結(jié)構(gòu)框架材料和微米大小孔洞組成的蜂窩結(jié)構(gòu)由于其低密度、良好的柔韌性、易加工性、化學(xué)穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)的EMI屏蔽性能,顯示出了其有望替代常規(guī)金屬屏蔽層的巨大潛力。因此,框架材料及其微結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的設(shè)計一直是研究的重點。近年來,一類新型的二維金屬碳化物和氮化物,即所謂的MXenes,由于其金屬導(dǎo)電性、出色的機(jī)械性能和大的比表面積等特性引起了廣泛關(guān)注。然而,弱的凝膠能力和易團(tuán)聚的特點限制了其用于組裝成低密度氣凝膠的應(yīng)用。因此,基于MXenes設(shè)計出具有良好導(dǎo)電性、出色EMI屏蔽性能、低密度特點的復(fù)合材料面臨著非常大的挑戰(zhàn)。

遏制電子元件產(chǎn)生的電磁輻射是電子設(shè)備設(shè)計者的一個重要考慮因素,但如今的金屬基屏蔽材料也有其弊端。瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室(EMPA)的科學(xué)家們開發(fā)出了一種新的基于氣凝膠的材料,可以阻擋多種頻率,形成了他們所描述的迄今為止世界上最輕的電磁屏蔽材料

EMPA科學(xué)家開發(fā)基于氣凝膠的世界最輕電磁屏蔽裝置-1

阻擋電子設(shè)備中的電磁輻射對維持其性能至關(guān)重要,因為如果這些場沒有與周圍環(huán)境隔離,就會影響信號傳輸或附近電子設(shè)備的功能。工程師們經(jīng)常使用薄金屬片來完成這項任務(wù),但這些金屬片會增加設(shè)備的額外重量,而且不一定能與設(shè)計完美結(jié)合。

瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室Gustav?Nystr?m團(tuán)隊利用超薄纖維素納米纖維(CNF)來協(xié)同構(gòu)建具有定向仿生細(xì)胞壁的超低密度MXenes氣凝膠。該研究揭示了定向細(xì)胞壁與入射EM波電場方向之間的角度對EMI屏蔽性能有著顯著影響,從而提出了新的微結(jié)構(gòu)設(shè)計策略。該氣凝膠在密度僅為8.0和1.5 mg/cm3時,其EMI屏蔽效果分別可達(dá)到74.6或35.5 dB。歸一化表面的屏蔽效能高達(dá)189400 dB cm2/g,大大超過了迄今為止報道的其他EMI屏蔽材料。該研究以題為“Nanocellulose-MXene Biomimetic Aerogels with Orientation-Tunable Electromagnetic Interference Shielding Performance”的論文發(fā)表在《Advanced Science》上。

【氣凝膠的制備】

作者通過生物質(zhì)纖維素纖維的氧化制備了穩(wěn)定的CNF分散體,然后對其進(jìn)行研磨以減弱相鄰纖維素鏈之間的氫鍵。這些CNF的末端帶有大量親水性基團(tuán),可以使MXene和CNF水性分散體均勻混合而無需添加其他表面活性劑。親水性和表面基團(tuán)的相似性使得CNF在MXene納米片上的均勻沉積(圖1d),從而使前者在氣凝膠制造過程中可以作為有效的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑。圖1e顯示了制備各向異性蜂窩狀MXene/CNF復(fù)合氣凝膠的單向冰樣冷凍干燥方法。在該合成過程中,形成的金字塔狀晶體在表面上不包含帶有CNF的MXene層,從而形成定向互連的MXene混合細(xì)胞壁。該完整細(xì)胞壁的組裝可以通過CNF中含羥基的基團(tuán)有效地交聯(lián)了MXene來解釋(圖1e,f),最終有助于形成低密度且堅固的復(fù)合氣凝膠。SEM圖像在縱向平面上清晰地觀察到了定向的細(xì)胞壁以及間隙約為20 μm的單向孔道(圖1g)。

圖1 氣凝膠的制備及其結(jié)構(gòu)表征
圖1 氣凝膠的制備及其結(jié)構(gòu)表征

【氣凝膠性能的調(diào)控】

實驗結(jié)果表明,無論CNF含量如何,復(fù)合氣凝膠在相鄰細(xì)胞壁之間的孔隙幾乎都相同,并且細(xì)胞壁的厚度也相近(圖2a),因為孔壁的厚度取決于溶液濃度,而孔道的直徑受誘導(dǎo)的溫度梯度影響。而調(diào)整CNF含量可以有效地調(diào)控各向異性復(fù)合氣凝膠的壓縮強(qiáng)度、模量、電性能和EMI屏蔽效應(yīng)。通過添加33 wt%的CNF,復(fù)合氣凝膠的壓縮模量可達(dá)到9.61 kPa(圖2d),比純MXene氣凝膠的模量高約≈350%,該結(jié)果突出了CNF的臨界作用,從而能夠制備出超輕而堅固的氣凝膠。然而,過多的CNF會不可避免地降低導(dǎo)電性并減少電荷載體軟氣凝膠的數(shù)量,這極大地?fù)p害了其EMI屏蔽效果(圖2f)。由于CNF和MXene的相互作用使得該氣凝膠即使在較低的CNF含量下也能提供高的EMI屏蔽性能,該研究最終選擇17?wt%的CNF作為最優(yōu)含量來制備復(fù)合氣凝膠。

圖2 CNF含量對氣凝膠各類性能的影響
圖2 CNF含量對氣凝膠各類性能的影響

【氣凝膠的EMI屏蔽性能】

超輕型復(fù)合氣凝膠的主要歸因于CNF的結(jié)構(gòu)定向作用。圖3a顯示,厚度為2mm的純MXene氣凝膠(密度為2.0 mg/cm3)的EMI屏蔽效能達(dá)到25.5dB,遠(yuǎn)低于2mm厚度的MXene/CNF復(fù)合氣凝膠(35.5 dB),其密度僅1.5 mg/cm3。此外,密度為8.0 mg/cm3的MXene/CNF氣凝膠能夠表現(xiàn)出74.6 dB的更優(yōu)異的EMI屏蔽作用。此外,該氣凝膠的厚度越大,其EMI屏蔽性能越好(圖3c)。厚1mm的MXene/CNF復(fù)合氣凝膠(密度≈1.5mg/cm3)屏蔽性能為28.4 dB,當(dāng)厚度增加到3mm時可增加到> 45 dB,對應(yīng)于入射EM衰減99.99%。如圖3d所示,此研究中的氣凝膠已經(jīng)實現(xiàn)了高達(dá)189400 dB?cm2/g的優(yōu)異屏蔽性能,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他屏蔽材料,包括碳基、金屬基以及其他MXene基體系。該MXene/CNF復(fù)合氣凝膠的出色EMI屏蔽性能歸因于一維CNF和二維MXene納米片之間的協(xié)同作用,使得實現(xiàn)定向仿生細(xì)胞壁成為可能。

圖3氣凝膠的EMI屏蔽性能
圖3氣凝膠的EMI屏蔽性能

 

EMPA團(tuán)隊一直在研究替代材料,希望能生產(chǎn)出更輕、可塑性更強(qiáng)的解決方案,這讓他們找到了來自木材的纖維素纖維。這些纖維素纖維被細(xì)化到納米級大小,并與銀納米線結(jié)合在一起,形成了一種輕質(zhì)多孔的氣凝膠,具有“優(yōu)異的電磁輻射屏蔽效果”,密度僅為每立方厘米1.7毫克。

EMPA科學(xué)家開發(fā)基于氣凝膠的世界最輕電磁屏蔽裝置-2

在纖維素纖維和銀納米線的成分產(chǎn)生屏蔽效果的同時,材料的多孔性也起到了作用。當(dāng)電磁場遇到孔隙時,會在空隙內(nèi)反彈,產(chǎn)生二次電磁場,實際上抵消了原有的電磁場。根據(jù)該團(tuán)隊的說法,這種綜合效應(yīng)是一種能夠阻擋8至12GHz范圍內(nèi)幾乎所有輻射的材料。同時,所需的吸收水平可以通過調(diào)整材料的孔隙率、銀納米線的數(shù)量和厚度來調(diào)整。

該團(tuán)隊能夠通過將銀納米線換成碳化鈦板來進(jìn)一步減輕重量,碳化鈦板的作用就像 “磚頭”,而纖維素纖維則是 “砂漿”。該團(tuán)隊稱,這種碳化鈦纖維素氣凝膠組合是“迄今為止世界上最輕的電磁屏蔽材料”。

兩篇論文詳細(xì)介紹了這項研究,分別發(fā)表在《ACS Nano》和《Advanced Science》上。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b07452

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

 

總結(jié):

作者利用MXene的內(nèi)在特性、結(jié)構(gòu)以及CNF和MXene納米片之間的相互作用,制備出了超低密度和高柔韌性的MXene/CNF復(fù)合氣凝膠。該氣凝膠通過仿生策略,由取向的、完整的細(xì)胞壁構(gòu)成。其優(yōu)異的EMI屏蔽效果取決于取向的細(xì)胞壁與表面之間的夾角。這種超輕型氣凝膠表現(xiàn)出的屏蔽性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了在其他文獻(xiàn)中報道的EMI屏蔽材料,使得具有極高EMI屏蔽效率的MXene/CNF復(fù)合材料在電子器件中的進(jìn)一步應(yīng)用成為可能。

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