美国空军研究实验室《ACS Nano》综述：如何实现高电磁干扰屏蔽效果？MXenes复合材料最新进展学术资讯

来源：材料科学前沿

随着科技的不断发展，人类逐渐进入了物联网时代，在物联网的环境下，各种设备和实体都连接到全球互连网络中，将会使得设备之间产生互相串扰。所以需要寻找一种可以消除串扰并保护电子电路和设备的电磁干扰（EMI）屏蔽材料则显得尤为重要。材料如果具有出色的电磁干扰屏蔽性，机械柔韧性，光学透明性和环境稳定性，这将对于涂料，电子显示器以及可穿戴和便携式电子设备等的未来至关重要。而MXenes（其化学通式可用Mn+1XnTz表示，其中M指过渡族金属，X指C或/和N，n一般为1-3，Tz指表面基团）材料是一类具有二维层状结构的金属碳化物和金属氮化物材料,它外形类似于片片相叠的薯片，由于其具有大的长宽比，出色的导电性和良好的机械性能，这些都为高性能EMI屏蔽材料展示了广阔的前景。

如何提高高电磁干扰屏蔽（EMI-SE）效果，不同的材料有不一样的性能。近日，美国空军研究实验室Dhriti Nepal团队在《ACS NANO》上发表名为“Toward Architected Nanocomposites: MXenes and Beyond”的综述文章，概述了分层结构在基于MXene的薄膜纳米复合材料中的作用方面的最新进展，以寻求实现多种功能，特别是出色的EMI屏蔽，透明性和机械强度，并且讨论了关键机遇，挑战和前景。

[基于MXenes的多功能结构纳米复合材料]

在复合材料方面，自然界一直都是非常好的参考对象，自然界可以通过精密计算产生不同分层体系结构，并且由协同效应产生出众的性能。比如，牡蛎壳经过薄而平的CaCO3(98%)与有机物以精确的方向和间距粘合，可以以减少光散射，并且这些分层结构具有独特的机械能吸收特性，使得它在可见光下显示80%的透明度，并具有机械弹性。而昆虫的眼由透明的活组织和光子透镜的分层结构组成，可以提供超柔性透明材料的模型。同样，蝴蝶翅膀中的分层结构表现出复杂的光学工程（图1）.

受关于分层架构和渐变特征的自然原理的启发，可以基于Mxenes的分层架构纳米复合材料使得材料具有更好的性能。比如，基于MXenes，纤维素纳米纤维和聚多巴胺（PDA）通过分层渐变结构开发的软启动器，具有高拉伸强度（237.1 MPa），高杨氏模量（8.5 GPa）和出色的韧性（10.9 MJ / m3）。同样，使用MXenes和聚多巴胺模拟珍珠质的分层架构开发的薄膜，与MXenes膜相比，这些以珍珠质为中心的对齐结构的薄膜显著增强了拉伸强度（约7倍）和韧性（约12倍），而且这也有利于MXene膜具有高电导率，出色的EMI屏蔽和环境稳定性。

图1. MXenes和更多功能的自然灵感架构示意图。

[构建的MXenes纳米复合材料的优良性能]

目前遇到的问题是要达到最高的性能值(FoMe =σdc/σop，即电导率与光导率之比)，同时还要表现出优异的EMI屏蔽性能和机械灵活性。作者通过总结可以得到以下四种策略可以实现：(a)材料选择，(b)界面的精密工程，(c)层次结构，以及(d)在不同长度尺度上对形貌的控制。

例如，银纳米线（AgNW）薄膜以出色的透明性和导电性而著称，通常优于铟锡氧化物（ITO）薄膜。通过LbL喷涂可以获得的AgNWs和Mxene分层结构，再经过毛细管力诱导的纳米级进行每一层焊接的方法，使得所得该分层体系结构提高了电导率并保留了透射率。最终的分层结构在恒定的1.3 mm半径下经受了3000次弯曲循环，表明这些薄膜在复杂变形下的长期耐用性（图2）。根据种具有导电，透明和机械柔性薄膜的分层体系结构为定制微波吸收提供了一种可行方案。此外，这些分层结构还显示出声学灵敏度。