《Defence Technology》：Heterointerface-Enriched LDH/MWCNT/NR composite for electronic component packaging in high-frequency vibration equipment
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由于无人机、新能源汽车和军事武器的功能持续升级，电子器件面临着日益严峻的挑战，包括电磁辐射、热量积累和振动干扰，然而由于这些性能对结构的要求各不相同，在单一材料体系中同时实现上述性能仍然具有挑战性。本研究通过原位水热策略构建了一种独特的2D/1D异质结构，该结
由于无人机、新能源汽车和军事武器的功能持续升级，电子器件面临着日益严峻的挑战，包括电磁辐射、热量积累和振动干扰，然而由于这些性能对结构的要求各不相同，在单一材料体系中同时实现上述性能仍然具有挑战性。本研究通过原位水热策略构建了一种独特的2D/1D异质结构，该结构由锚定在多壁碳纳米管上的层状双金属氢氧化物纳米花（LDH/MWCNT）组成。得益于其高长径比架构、丰富的异质界面以及与天然橡胶（NR）优异的相容性，LDH/MWCNT异质结构建立了高效的多功能3D网络，同时优化了电磁、热学、力学和防火安全性能。在填料负载量仅为10 wt.%、样品厚度为1.3 mm的条件下，LDH/MWCNT-1/NR复合材料获得了优异的阻抗匹配和衰减能力，反射损耗值达?48.1 dB，有效吸收带宽为4.0 GHz。同时，互连的异质结构促进了声子传输，热导率达到0.29 W/(m·K)，相较于纯NR提升了81.3%。LDH/MWCNT与NR之间强烈的界面相互作用和摩擦能量耗散显著改善了阻尼行为，损耗模量和损耗因子分别提升了1131%和300%。此外，异质结构的协同屏障效应和LDH固有的阻燃特性有效抑制了燃烧过程中的热量释放。本研究展示了一种多功能的异质结构工程策略，用于开发能够同时满足电磁、热学、力学和安全需求的轻质多功能电子封装材料。
随着无人机、新能源汽车和军事武器等智能设备电子系统的快速发展，电子封装材料需同时应对电磁、热学和力学等多重刺激。然而，这些功能受制于迥异且往往相互冲突的结构要求。例如，高效的电磁衰减通常依赖于电荷传输和极化过程，而增强导热则需要连续的声子传输通路。同时，有效的振动阻尼取决于充分的界面摩擦和能量耗散。这些机制之间的不相容性使得同时优化电磁波（EMW）吸收、热管理和阻尼性能极具挑战性。此外，聚合物封装材料固有的易燃性进一步引发了对运行可靠性和安全性的担忧。以天然橡胶（NR）、聚氨酯和丁腈橡胶为代表的弹性体，凭借其优异的柔韧性、可逆变形能力和固有阻尼特性，在先进电子封装领域引起了广泛关注。与传统的刚性封装材料相比，弹性体能够有效适应器件运行过程中产生的应力，并缓解反复变形导致的结构失效。然而，其较差的EMW衰减能力、低热导率和不充分的阻燃性能严重制约了在复杂服役环境中的实际应用。构建多功能异质结构被认为是克服上述局限的有效策略。碳纳米管（CNTs）具有高电导率、大长径比和优异的固有热导率，是建立导电和导热网络的有前景的候选材料。然而，过高的电导率往往导致较差的阻抗匹配和EMW反射，而一维（1D）结构易于团聚，导致网络结构利用效率低下和多功能性能受限。因此，对CNT进行合理的结构调控对于实现多种功能的协同优化至关重要。二维（2D）层状双金属氢氧化物（LDH）为工程化CNT基异质结构提供了独特的平台。由于其低介电常数、丰富的表面活性位点和固有的阻燃特性，LDH能够有效调控电磁参数、改善阻抗匹配并增强防火安全性。更重要的是，将2D LDH纳米结构与1D CNT整合可以产生丰富的异质界面和多级传输通路，有利于改善分散性并同时优化界面极化、声子传输和摩擦能量耗散。然而，2D/1D异质结构与弹性体封装系统中多功能能量耗散行为之间的结构-功能关系仍未被充分理解。本研究通过原位水热策略，将LDH纳米花锚定在多壁碳纳米管（MWCNT）表面，构建了一种新型2D/1D LDH/MWCNT异质结构。所得异质结构同时调控电磁衰减、声子传输和机械能量耗散，从而实现了NR复合材料中EMW吸收、热导率、阻尼能力和阻燃性能的协同增强。得益于优化的阻抗匹配、多级导电网络和丰富的异质界面，LDH/MWCNT/NR复合材料在低填料负载量下展现出优异的多功能性能。本研究提供了一种异质结构工程策略，用于制备能够同时满足电磁、热学、力学和安全需求的新一代多功能弹性体封装复合材料。
研究人员通过一锅水热法将NiAl层状双金属氢氧化物（LDH）原位锚定在羟基化多壁碳纳米管（MWCNT）表面，合成了LDH/MWCNT杂化物，并通过改变LDH前驱体浓度获得了LDH含量分别为20.36%、28.36%和37.82%的LDH/MWCNT-1、LDH/MWCNT-2和LDH/MWCNT-3。随后采用湿法混炼与硫化工艺制备了填料质量分数为10 wt.%的LDH/MWCNT/NR复合材料，并以纯NR、MWCNT/NR和LDH/NR作为对照。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、热重分析（TG）、N?吸附-脱附、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对杂化物的结构、组成和形貌进行了表征。采用矢量网络分析仪测试电磁参数并计算反射损耗（RL）和有效吸收带宽（EAB），通过激光闪射法测定热导率，利用红外热成像评估热管理行为，通过万能拉伸试验机和动态力学分析（DMA）表征力学与阻尼性能，采用微型燃烧量热仪（MCC）评价阻燃性能，并结合雷达散射截面（RCS）模拟验证实际EMW吸收能力。
3.1 物相、微观结构与形貌分析
通过FT-IR、XRD和XPS表征证实了碳酸根插层的LDH成功原位生长在MWCNT表面，LDH/MWCNT杂化物中LDH特征峰相对于纯LDH向高结合能方向偏移约0.4 eV，揭示了LDH与MWCNT之间强烈的界面电子耦合。TG分析定量确定了不同杂化物中LDH的含量。N?吸附-脱附结果表明LDH/MWCNT杂化物的比表面积较纯LDH增大，且随LDH负载量增加先增后减。SEM和TEM观察显示，LDH纳米片均匀锚定在MWCNT表面，有效缓解了MWCNT的团聚，HRTEM清晰显示了LDH与MWCNT之间的异质界面，元素映射证实了各元素的均匀分布。上述结果表明成功构建了具有丰富异质界面的2D/1D LDH/MWCNT异质结构。
3.2 电磁波吸收性能分析
研究人员通过测试电磁参数发现，随LDH相对含量增加，复合材料的介电常数实部和虚部均下降，电导率降低，有利于改善阻抗匹配。Cole-Cole图显示LDH/MWCNT-1/NR具有最多的畸变半圆和最大的面积，表明其优异的介电弛豫性能。差分电荷密度分析揭示了LDH与MWCNT异质界面处的不对称电子分布诱导了强界面极化和偶极极化。在5–18 GHz范围内，极化损耗与传导损耗之比大于1.0，表明极化损耗是介电损耗的主要机制。LDH/MWCNT-1/NR在仅10 wt.%填料负载量和1.3 mm厚度下实现了RLmin为?48.1 dB和EABmax为4.00 GHz的优异EMW吸收性能，RCS模拟进一步验证了其实际EMW吸收能力，最大RCS值降低达22.72 dB·m2。
3.3 导热性能分析
采用激光闪射法测定热导率，纯NR的热导率仅为0.16 W/(m·K)，LDH/MWCNT-1/NR的热导率达到0.29 W/(m·K)，较纯NR提升81.3%，且相较于MWCNT/NR仅下降0.01 W/(m·K)，表明LDH的引入未显著牺牲热传输能力。红外热成像结果显示LDH/MWCNT-1/NR在加热和冷却过程中响应更快，加热和冷却温差分别达4.1 °C和4.8 °C。水滴蒸发测试进一步验证了其优异的热管理能力。
3.4 力学性能与阻尼分析
拉伸测试表明LDH/MWCNT-1/NR的拉伸强度达到19.7 MPa，断裂伸长率为885.79%，表观杨氏模量为0.890 MPa，韧性为75.76 MJ/m3，相较于纯NR分别提升约28.1%、91.2%和84.4%。DMA分析显示LDH/MWCNT-1/NR的损耗模量和损耗因子相较于纯NR分别提升1131%和300%，验证了其大幅改善的阻尼性能。循环拉伸测试表明LDH/MWCNT-1/NR在50次循环后应力几乎不下降，展现出优异的结构稳定性。
3.5 阻燃性能分析
MCC测试表明LDH/MWCNT-1/NR的峰值热释放速率（HRR）为701.92 W/g，较纯NR降低17.45%，总热释放量（THR）为32.35 kJ/g，降低8.10%。燃烧测试显示LDH/MWCNT-1/NR燃烧过程显著延长并趋于自熄，燃烧后保留约50%的原始体积并形成致密炭层。阻燃性能的提升归因于LDH的吸热分解和H?O、CO?等阻燃物质的释放，以及MWCNT促进的热稳定碳质网络构建，二者协同形成保护性炭层屏障。
3.6 机理分析
研究人员总结了LDH/MWCNT/NR复合材料在多方面的协同机理：在EMW吸收方面，LDH优化了阻抗匹配，LDH/MWCNT杂化物通过界面极化损耗、偶极极化损耗、导电损耗和多散射等多重损耗路径实现强衰减；在导热方面，LDH纳米片调控MWCNT的空间分布，构建连续声子传输通路；在阻尼方面，LDH/MWCNT与NR基体间的强界面粘附限制NR分子链运动，反复界面滑动和摩擦将振动能转化为热能耗散；在阻燃方面，2D/1D堆叠结构形成物理屏障层，LDH的催化作用促进致密炭层形成，同时释放惰性气体抑制燃烧反应。
讨论部分从组分-功能角度分析了四种配方的应用导向特征：纯NR主要作为柔性可变形基体提供基本振动缓冲；MWCNT/NR具有最高热导率，更适合热管理和减振应用，但MWCNT团聚和过高电导率导致阻抗匹配不佳；LDH/NR在阻抗调控和防火安全封装方面更具优势，但缺乏有效的电/声子传输网络；LDH/MWCNT/NR整合了两种填料的互补优势，更适用于同时需要高效EMW吸收、热管理、振动阻尼、力学柔性和改善防火安全的多功能电子封装。
结论部分译为：本研究通过异质结构工程策略制备了LDH/MWCNT/NR封装材料。具体而言，通过水热法将CO?2?插层的LDH纳米片原位锚定在MWCNT表面构建LDH/MWCNT杂化物。引入的LDH/MWCNT杂化物能够在NR基体内建立良好连接的3D网络，实现EMW吸收、热导率、阻尼和阻燃性能的协同优化。锚定的LDH纳米片能有效缓解MWCNT的固有团聚并构建丰富的异质界面，协同优化了复合材料的阻抗匹配特性和EMW衰减能力。优化后的LDH/MWCNT-1/NR复合材料在10 wt.%的低填料负载量和1.3 mm厚度下，RLmin值达?48.1 dB，EABmax值达4.00 GHz。构建的LDH/MWCNT 3D互连框架促进了声子快速迁移，热导率较纯NR提升81.25%。LDH/MWCNT杂化物与NR基体之间的界面往复滑动和摩擦有助于增强阻尼性能，相较于纯NR，LDH/MWCNT-1/NR的损耗模量和损耗因子分别提升1131%和300%。此外，LDH/MWCNT杂化物的物理屏障效应和LDH独特的热分解行为使LDH/MWCNT-1/NR复合材料的HRR值和THR值相较于纯NR分别降低17.45%和8.10%。LDH/MWCNT/NR复合材料作为振动环境中智能设备的多功能电子封装材料展现出突出前景，同时该复合材料优异的可变形性也赋予其在柔性电子领域巨大的应用价值。
