通过嵌入碳纳米管（CNT）的芳纶纳米纤维增强的机械强度高且环境稳定的MXene薄膜，用于电磁干扰屏蔽

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Mechanically strong and environmentally stable MXene films reinforced by CNT-embedded aramid nanofibers for electromagnetic interference shielding

本研究通过界面工程与分步组装策略制备了具有优异机械性能和抗氧化性的MXene基电磁屏蔽复合材料。采用碳纳米管增强的芳纶纳米纤维构建基质层，聚多巴胺修饰MXene形成致密保护层，成功解决MXene层间结合力弱和易氧化问题。复合薄膜展现出366.8 MPa高拉伸强度、3548.8 S/cm超导率、55.5 dB电磁屏蔽效能及14128.2 dB/cm厚度效能，同时具备150.4℃耐高温加热性能和快速温度响应特性。

　　本研究聚焦于开发一种新型的过渡金属碳化物/氮化物（MXene）基电磁干扰（EMI）屏蔽复合材料，这种材料不仅具备优异的机械性能，还具有良好的抗氧化性。随着电子设备的不断发展，其应用环境也日益复杂，因此对EMI屏蔽材料提出了更高的要求。传统的金属屏蔽材料如不锈钢或铜虽然具备良好的屏蔽效果，但由于其重量大、结构刚性高，难以满足现代电子设备对轻量化、超薄化以及良好柔韧性的需求。而MXene作为一种具有独特二维结构、高导电性和可加工性的新型材料，被认为是制备高性能EMI屏蔽材料的有力候选者。

然而，MXene材料本身存在一些挑战。其层状结构在物理或化学作用下容易发生分离，导致层间相互作用不足，从而影响其机械性能和屏蔽效果。此外，MXene表面的活性官能团（如-OH、-O和-F等）使其在氧气和湿度较高的环境中容易发生氧化反应，生成钛氧化物（TiO?），这不仅会降低其导电性，还会对长期的EMI屏蔽性能产生负面影响。因此，如何通过结构设计和材料改性手段，提升MXene复合材料的机械性能和环境稳定性，成为当前研究的重要课题。

为了克服上述问题，本研究提出了一种结合界面工程与分步组装策略的新型方法。首先，利用碳纳米管（CNT）辅助制备聚酰胺纤维（ANF），并构建具有机械性能的基底层。CNT不仅能够增强ANF的力学性能，还能在制备过程中起到一定的分散和交联作用，从而形成一个稳定的结构基础。其次，通过原位聚合和结合的方式，将聚多巴胺（PDA）修饰到MXene表面，形成PMXene。这种修饰不仅增强了MXene与基底材料之间的界面相互作用，还有效防止了氧气渗透，提升了材料的抗氧化能力。最后，将PMXene与CNT/ANF复合材料进行分步组装，构建出具有双面结构的PMXene-CNT/ANF薄膜。

这种双面结构的设计使得复合材料在保持优异机械性能的同时，也实现了良好的EMI屏蔽效果。实验结果显示，所制备的PMXene-CNT/ANF薄膜表现出高达366.8 MPa的拉伸强度和69.3 MJ/m3的韧性，这表明其在机械性能方面具有显著优势。同时，该薄膜还具备出色的导电性，达到3548.8 S/cm，以及高达55.5 dB的EMI屏蔽效能（EMI SE）和14128.2 dB/cm的EMI SE/t值，这说明其在电磁屏蔽方面具有极高的效率。此外，该材料还展现出良好的抗氧化稳定性，能够在潮湿和氧气丰富的环境中长时间保持其性能。

除了优异的EMI屏蔽性能，这种复合材料还表现出出色的焦耳加热效应。在2.5 V的外部电压下，其表面温度可以迅速升高至150.4 °C，并且在长时间运行后仍能保持稳定性能。这一特性使得该材料在需要快速响应和高热能释放的应用场景中具有重要价值，例如用于反冰和除冰设备，或者在需要加热功能的柔性电子产品中。

本研究的创新之处在于通过界面工程和分步组装策略，实现了MXene材料在复合结构中的高效整合。这种方法不仅解决了MXene层之间相互作用不足的问题，还通过PDA修饰提升了其抗氧化能力。此外，CNT的引入进一步增强了复合材料的机械性能，使其在保持高导电性的同时具备良好的柔韧性。这种结构设计为MXene基材料在柔性电子和军事电子设备等高要求领域的应用提供了新的思路和解决方案。

在实际应用中，这种新型复合材料的高机械强度和良好的环境稳定性使其能够胜任各种复杂的工作条件。例如，在柔性电子设备中，材料需要在弯曲和拉伸过程中保持其结构完整性和功能性能。而本研究中的PMXene-CNT/ANF薄膜不仅具备这些特性，还能够有效屏蔽电磁干扰，保护电子设备免受外部电磁波的影响。此外，在军事电子设备中，材料需要在极端环境下保持稳定，例如高温、高湿或高氧含量的环境。该复合材料的抗氧化能力使其在这些场景中具有显著优势，能够长期维持其屏蔽性能，从而提高设备的可靠性和使用寿命。

除了EMI屏蔽功能，该复合材料的焦耳加热特性也为其他应用提供了可能性。例如，在需要快速加热的场景中，如反冰和除冰设备，这种材料可以迅速响应外部电压，实现高效的热能释放。这不仅提高了设备的运行效率，还降低了能耗。此外，在智能纺织品或可穿戴设备中，这种材料可以用于实现温度调控功能，为用户提供舒适的使用体验。

综上所述，本研究开发的PMXene-CNT/ANF复合材料在机械性能、导电性、EMI屏蔽效能以及环境稳定性等方面均表现出色。其双面结构的设计有效解决了MXene材料在复合体系中的分散和稳定性问题，使得材料在实际应用中具备更高的可靠性和性能。这种材料的开发不仅为高性能EMI屏蔽材料的制备提供了新的方法，也为柔性电子、军事电子设备以及需要快速响应和高效加热的其他领域提供了重要的技术支持。未来，随着材料科学和工程的不断发展，这种复合材料有望在更多领域得到应用，并推动相关技术的进步。