【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王桂龍教授團(tuán)隊(duì)通過一種剪切誘導(dǎo)原位成纖與真空輔助過濾相結(jié)合的工藝，成功制備出了具有Janus結(jié)構(gòu)的多功能柔性FCFe/M復(fù)合膜。該復(fù)合膜不僅展現(xiàn)出卓越的電磁屏蔽效能，而且具備優(yōu)異的熱管理能力和機(jī)械柔性，為下一代柔性可穿戴電子器件在電磁兼容和智能溫控方面提供了材料解決方案。相關(guān)研究成果以“Multifunctional Janus-Structured Polytetrafluoroethylene-Carbon Nanotube-Fe3O4/MXene Membranes for Enhanced EMI Shielding and Thermal Management”發(fā)表于國(guó)際期刊Nano?Micro Letters (中科院一區(qū)，IF: 31.6)。材料學(xué)院博士研究生邵潤(rùn)澤為論文第一作者，王桂龍教授為唯一通訊作者，山東大學(xué)為第一完成單位和通訊單位。
圖1. FCFe/M薄膜的制備工藝示意圖
PTFE因其優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性和化學(xué)穩(wěn)定性，一直被視為輕質(zhì)電磁屏蔽器件的理想基體材料。然而，鑒于PTFE強(qiáng)大的耐溶劑性和高熔融粘度，如何在其表面和內(nèi)部引入高含量的電磁功能填料，從而制備具有良好電磁屏蔽性能同時(shí)堅(jiān)固優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和高孔隙率的PTFE基復(fù)合材料仍是一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)。為此，研究團(tuán)隊(duì)采用一種原創(chuàng)的剪切誘導(dǎo)原位纖維化工藝，成功地將兩種高含量填料引入PTFE基材中，從而制成了PTFE-CNT-Fe3O4(FCFe)電磁波吸收層。在加工過程中，剪切力促使PTFE纖維化，與CNT纖維交織形成堅(jiān)固的蠶絲狀納米纖維網(wǎng)絡(luò)，從而牢固捕獲Fe?O?納米粒子，顯著提升了復(fù)合薄膜的磁損耗能力。同時(shí)，薄膜內(nèi)部的納米纖維網(wǎng)絡(luò)不僅可以通過多次反射和散射延長(zhǎng)了膜內(nèi)電磁波的傳輸路徑，還可以在內(nèi)部形成偽平行板微電容器，從而增強(qiáng)了電磁波的吸收效果。
圖2. FCFe/M膜的電磁屏蔽機(jī)理及屏蔽性能的可視化模擬
隨后，團(tuán)隊(duì)采用簡(jiǎn)便的真空輔助過濾工藝，將高電導(dǎo)率的二維MXene材料負(fù)載至FCFe薄膜的一側(cè)，成功制備出具有雙面異性結(jié)構(gòu)的FCFe/M復(fù)合膜。得益于合理的組分分配和精心設(shè)計(jì)的Janus結(jié)構(gòu)，該復(fù)合膜通過“吸收—反射—重吸收”機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高效的電磁波屏蔽和優(yōu)異的抗反射性能。在僅84.9 µm的厚度下，該復(fù)合膜在X波段的最大EMI屏蔽效能高達(dá)44.56 dB，其比屏蔽效能更是突破了10,421.3 dB·cm2·g-1，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)屏蔽材料。
此外，憑借材料固有特性和Janus結(jié)構(gòu)所賦予的各向異性，F(xiàn)CFe/M薄膜還表現(xiàn)出出色的機(jī)械性能、自熄性、疏水性、耐腐蝕性以及個(gè)性化的熱管理能力。在電壓和光照刺激下，集成加熱功能的復(fù)合膜表面溫度分別可迅速升至140.4°C和145.7°C，顯示出快速、穩(wěn)定和高效的加熱及熱耗散效果。該項(xiàng)研究以創(chuàng)新型Janus結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為核心，為開發(fā)具有強(qiáng)大屏蔽與有效抗反射性能的EMI屏蔽材料提供了切實(shí)可行的解決方案。憑借其卓越的柔韌性、疏水性、阻燃性、可靠性和熱管理性能，F(xiàn)CFe/M復(fù)合膜有望在航空航天、軍事、人工智能、智能加熱設(shè)備以及下一代柔性可穿戴技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
王桂龍教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于聚四氟乙烯微孔材料的功能化研究，通過探索PTFE微孔功能材料在高效過濾、安全防護(hù)、柔性電子和電磁屏蔽等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，成功解決了長(zhǎng)期困擾行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)難題，填補(bǔ)了PTFE功能微孔材料研究的空白。相關(guān)研究成果發(fā)表于Adv Funct Mater (2024, 2416428)、Small(2024, 2308992)、Nano Res (2024, 17, 1942-1951)等期刊。
以上研究工作得到國(guó)家高層次人才計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金以及濟(jì)南市“高校20條”自主培養(yǎng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目等的支持。
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