强韧交替多层MXene/CNT薄膜：突破性能平衡极限的高效电磁屏蔽与焦耳加热材料

《Science China-Materials》：Robust alternating multilayered MXene/CNT films for high-performance EMI shielding and Joule heating with superior fire/oxidation resistance

本刊推荐：为解决MXene基薄膜机械性能弱、易氧化与电磁干扰屏蔽效能（EMI SE）难以协同提升的难题，研究人员开展交替多层MXene/碳纳米管（CNT）薄膜研究。通过交替真空辅助过滤构建“千层酥”结构，实现81.4 dB超宽带EMI SE、83.4 MPa机械强度及237°C/10s快速焦耳加热，且具备优异防火/抗氧化性。该工作为航空航天、军事装备等领域的电磁防护材料设计提供新范式。

　　

随着第五代通信技术（5G）和物联网的快速发展，电磁污染已成为继水、空气和噪声污染之后的第四大环境公害。这种污染不仅会干扰精密电子设备的正常运行，更对人体健康构成潜在威胁。因此，开发能够在复杂环境下稳定工作的高性能电磁干扰（EMI）屏蔽材料迫在眉睫。在众多候选材料中，二维过渡金属碳氮化物（MXene）因其类金属导电性、丰富表面官能团和超大比表面积而备受关注。然而，纯MXene薄膜存在机械强度差、易氧化等问题，这严重制约了其实际应用。

传统解决方案通常将MXene与聚合物复合以构建类似珍珠层的层状结构，虽然改善了力学性能，但绝缘聚合物的引入往往会降低材料的导电性和EMI屏蔽效能（SE）。此外，这类材料在阻燃和抗氧化方面表现不佳，难以满足航空航天、军事装备等恶劣环境的应用需求。正是在此背景下，研究人员从法式甜点“千层酥”中获取灵感，试图通过巧妙的层级设计打破性能平衡的瓶颈。

本研究采用交替真空辅助过滤技术制备了MXene/CNT交替多层薄膜。关键技术包括：通过最小强度层剥离法（MINIMAL）合成Ti₃C₂T_xMXene纳米片；利用探针超声和离心处理获得均匀的单壁碳纳米管（SWNTs）分散液；通过精确控制过滤顺序和界面湿度，构建具有交替层级结构的复合薄膜（MC-nL，n=3,5,7,9）。采用场发射扫描电镜（FE-SEM）、X射线衍射（XRD）等表征微观结构，通过矢量网络分析仪测试8.2-26.5 GHz频段的EMI屏蔽性能，并系统评估力学、热稳定性和焦耳加热性能。

微观结构与力学性能

扫描电镜图像清晰显示出MXene层与CNT层交替排列的周期性结构，层间结合紧密无分层。随着层数增加，单层厚度逐渐减小，MC-9L薄膜的MXene层和CNT层厚度分别降至3μm和2μm。元素分布图显示Ti、F、C、O元素的交替分布，证实了多层结构的成功构建。这种设计使薄膜的断裂强度和韧性呈现层数依赖性增强，MC-9L薄膜达到最优的83.4 MPa强度和7.2 MJ/m³韧性，较均质薄膜（MC-1L）分别提升32%和71%。其断裂机制源于MXene层内微裂纹的“锯齿状”扩展路径，而CNT层作为力学框架有效阻碍裂纹贯穿传播。

电磁屏蔽性能

电导率测试表明交替多层结构有效缓解了组分尺寸失配带来的界面电阻问题。MC-7L薄膜表现出最佳导电性（2525.25 S/cm），在X、Ku、K波段（8.2-26.5 GHz）的平均EMI SE分别达到75.3、81.8和87.0 dB。屏蔽机制分析显示，吸收损耗（SE_A）占主导地位，其独特的“吸收-反射-再吸收”机制源于交替层级产生的异质界面极化和多重内部反射。经过2000次弯曲循环后，薄膜仍保持稳定的屏蔽效能，展现出优异的机械耐久性。

阻燃抗氧化与环境稳定性

CNT外层作为保护屏障，显著提升了薄膜的抗氧化能力。在酒精灯火焰中暴露60秒后，薄膜仅发生短暂燃烧且保持结构完整，EMI SE反而因表面微孔结构增强电磁波散射而有所提升。该薄膜在300°C热处理6小时、液氮冷冻1小时、强酸（pH=1）强碱（pH=14）浸泡12小时以及高湿（>90% RH）环境下均能保持稳定的屏蔽性能。在空气中储存10个月后，EMI SE仅下降10%，展现出卓越的环境适应性。

焦耳加热性能

MC-7L薄膜在2.0V电压下10秒内可达237°C，饱和温度与电压平方呈线性关系（Q=U²/Rt）。在循环加热测试中表现出快速的温度响应和优异的稳定性，在1.5V电压下长期工作温度维持在170°C左右。实际演示中，该薄膜成功用于水瓶加热，使水温均匀升至62°C，且在加热状态下仍保持有效的EMI屏蔽功能。

该研究通过巧妙的交替多层结构设计，成功解决了MXene基薄膜在机械强度、抗氧化性和EMI屏蔽效能之间的平衡难题。CNT层不仅作为力学骨架和氧化屏障，还通过协同效应增强了电磁波的耗散效率。所制备的薄膜兼具高强度（83.4 MPa）、高韧性（7.2 MJ/m³）、超宽带屏蔽（81.4 dB）和快速焦耳加热（237°C/10s）等特性，且在极端环境下表现出卓越的稳定性。这种设计策略为新一代柔性电子、航空航天电磁防护材料的发展提供了重要参考。