东北大学材料考研，东北大学材料考研分数线
随着电磁污染的加剧，对电磁屏蔽材料的要求越来越高，在可视化窗口、航空航天设备和可穿戴设备等领域的应用要求电磁屏蔽材料具有高透明度和柔韧性，以满足更多的应用场景。然而，在保持优异透光率的同时实现高性能电磁屏蔽目前仍然是一个挑战。
近日，杭州电子科技大学赵荣志博士联合东北大学李逸兴博士课题组采用透明木材作为衬底，在其表面涂覆银纳米线和MXene制备了一种AgNW@MXene/木材（AN@MX/TW）夹层复合材料。该复合材料在可见光范围内的最大透光率为28.8%，纵向拉伸强度为47.8 MPa。在X波段下，其平均电磁屏蔽效能可达44.0 dB，这归因于电磁波在木材层微通道内的多重反射和AgNW与MXene之间的界面极化。同时，该方法可以用于大规模制备电磁屏蔽膜，为开发具有更广泛应用的先进电磁屏蔽材料提供了启发。相关工作以“Transparent and Flexible Electromagnetic Interference Shielding Materials by Constructing Sandwich AgNW@MXene/Wood Composites”为题发表在《ACS Nano》上。
【制备与表征】
首先，在天然木材上刷涂H 2O 2溶液，然后暴露在紫外灯下，直到完全变成白色。然后在乙醇中超声浸泡去除水和残留的化学物质，再转移到丙酮中交换木材中的乙醇。最后，将半透明木材浸入环氧树脂中，在真空条件下填充孔隙。以制备的透明木材作为基材，在表面逐层喷洒MXene和AgNW。透明木材的孔隙形状与天然木材不同，呈现出近似圆形特征，这是由于填充环氧树脂引起木材内壁应力变化造成的。对于AN@MX/TW复合材料，在不同的涂层厚度下，AgNW封装的MXene的直径变化范围为100~200 nm。为了证明MXene与AgNWs之间的化学结构和氢键相互作用，对其进行了红外光谱和XPS表征。
图1 AN@MX/TW夹层复合材料的制作示意图
图2 AN@MX/TW复合材料的结构表征
图3 AN@MX/TW复合材料的组分表征
【电磁屏蔽性能】
在透明木材表面仅喷涂MXene膜后电磁屏蔽效能最高可达5.99 dB。将高导电性的AgNW骨架插入MXene薄膜中，并在AgNW表面涂覆MXene保护层，可进一步提高屏蔽性能。厚度约为1 mm的AN@MX/TW复合材料（标记为1-1-1、1-2-1、2-2-2和1-1-1/1-1-1）的最大电磁屏蔽效能值分别为24.12、35.05、43.19和44.96 dB。通过改变薄膜的厚度和成分，可以有效地提高电磁屏蔽性能。这项工作中引入MXene层的主要目的是构造界面极化和电偶极子。该夹层结构可以增强透明木材内电磁波的多重反射，通过在AN@MX内高效利用界面极化和电偶极子提高吸收屏蔽性能。由于透明木材特殊的微通道结构，介质的非均匀性导致了电磁波在多通道内的多次散射和反射。AN@MX/TW形成的宏观夹层结构大大延长了电磁波的传输路径，诱导了更多的吸收型衰减，获得了优于单面涂层的屏蔽性能。这意味着电磁屏蔽性能的提高不仅源于材料，还源于结构。
图4 AN@MX/TW复合材料的电磁性能
【多功能应用】
由于透明木材不能有效地隔离特斯拉线圈周围产生的电磁场，灯内的气体被电离发出光。而AN@MX/TW复合材料可以防止上述现象的发生，体现了其在实际应用中的可行性。厚度约为1 mm的AN@MX/TW复合材料的最大归一化电磁屏蔽效能（SE/厚度）为44.96 dB/mm，远远高于其他大多数报道的值。AN@MX/TW复合材料的导电性可以由于电加热，并具有快速的热响应时间（加热过程为~40 s，冷却过程为~60 s），弯曲后其电导率可以保持稳定。此外，良好的焦耳加热性能使其在极端寒冷的天气中可处理霜冻或冰。AN@MX/TW复合材料的电导率和电磁屏蔽性能在施加循环电流后也能保持稳定。
图5 AN@MX/TW复合材料的多功能应用
【力学和光学性能】
透明木材在B方向的柔韧性优于A方向，弯曲度接近180°源于纤维素的生长方向，这是普通玻璃所不具备的。AN@MX/TW的抗拉强度（沿A和B方向的应力）分别为47.8和14.4 MPa，分别比透明木材提高了9.6%和28.6%。力学性能的提高与AN@MX膜和透明木材表面的化学键有关。此外，以透明木材为窗的小木屋比以玻璃为窗更明亮。在可见光波段，透明木材的最大透光率为85%，而天然木材的最大透光率几乎为0%。AN@MX/TW复合材料1-1-1、1-2-1、2-2-2和1-1-1/1-1-1的最大透光率分别为49.7%、38.1%、33.4%和28.8%。该复合材料良好的力学性能和柔韧性使其具有广阔的实际应用前景。
图6 AN@MX/TW复合材料的力学和光学性能
【小结】
总之，本文采用紫外辅助化学法和机械喷涂法在透明木材上涂覆AN@MX成功制备了一种夹层复合材料。该复合材料在可见光范围内的最大透光率为28.8%，纵向抗拉强度为47.8 MPa，归一化电磁屏蔽效能在X波段可达44.96 dB/mm。本工作在节能环保的基础上实现了大规模电磁屏蔽膜的高效生产，具有广阔的应用前景。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c07111
来源：高分子科学前沿
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