武汉纺织大学王栋等：可控表面斜纹结构赋予纳米纤维复合膜优良的电磁屏蔽效能

研究背景

无线技术的发展和高度集成的电子设备的广泛使用，显著提高了人们的生活质量；但它们也导致了周围环境中不必要的电磁辐射。过量的电磁辐射对人体健康有有害影响，严重影响人们的生活品质。电磁屏蔽材料可以有效阻止电磁信息的泄露以及传播，抑制电磁波的辐射和干扰，保障电子设备的正常运行和信息的安全传送。但多数电磁屏蔽材料由于需要大量昂贵吸波介质的填入，因此造成此类材料成本较高。需要注意的是，减少吸波介质的数量和提高电磁屏蔽效能的目标是相互矛盾的。利用混合系统和特殊结构来实现有效的电磁干扰屏蔽性能。而不同介质杂化往往需要较大的吸波介质含量以及在材料内部构建完善的导电网络。由于添加介质价格昂贵的影响，通过提高吸波介质含量的方法获得优异电磁屏蔽效果的策略极大地限制了此类材料的应用。尤其对于电磁屏蔽复合膜材料，高介质填充量将会对复合膜机械性能造成不利影响。因此，开发一种灵活、成本低、性能高的电磁干扰屏蔽性能材料仍是需要迫切解决行业难题。而高电磁屏蔽效能和低介质填充量复合膜的获得，可能需要从新结构的设计着手。

Controlled Twill Surface Structure Endowing Nanofiber Composite Membrane Excellent Electromagnetic Interference Shielding

Dechang Tao, Xin Wen, Chenguang Yang*, Kun Yan, Zhiyao Li, Wenwen Wang*, Dong Wang*

Nano-Micro Letters (2024)16: 236

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01444-y

本文亮点

1. 受“中国结”编织结构的启发，制备了一种具有斜纹表面的电磁干扰(EMI)纳米纤维复合膜。

2. 当MXene/银纳米线(MXene/AgNW)含量仅为7.4 wt%时，复合膜的EMI屏蔽效率(SE)为103.9 dB，表面斜纹结构使EMI提高了38.5%。

3. 该纳米纤维复合膜具有优异的热管理性能、疏水性、不可燃性和性能稳定性，在140°C的高温环境下，EMI性能保持率为97.3%。

内容简介

受“中国结”编织结构的启发，武汉纺织大学王栋、王雯雯、杨晨光等人制备了一种具有斜纹表面的电磁干扰(EMI)纳米纤维复合膜。采用聚(乙烯醇共乙烯)(Pva-co-PE)纳米材料和斜纹尼龙织物分别作为基材和过滤模板。采用真空抽滤和模板法相结合的策略成功制备了一种Pva-co-PE、MXene/银纳米线(Pva-co-PE-MXene/AgNW，PMₓAg)膜。当MXene/AgNW含量仅为7.4 wt%(PM7.4Ag)时，表面斜斜结构纳米纤维复合膜的EMI屏蔽效能(SE)为103.9 dB，表面斜斜结构的存在使EMI提高了38.5%。这一结果归因于表面斜纹结构对入射电磁波方向的预干涉，增强了电磁波与MXene纳米片随机碰撞的概率。同时，内部反射、欧姆和共振损失增强。另外，由于各组分界面间的化学键合作用，PM7.4Ag膜的抗拉强度达到卓越的22.8 MPa。此外，PMₓAg纳米纤维复合膜具有优异的热管理性能、疏水性、不可燃性和性能稳定性，在140°C的高温环境下，EMI SE为97.3%。表面斜纹复合膜的成功制备使其能够在电磁屏蔽材料中同时实现低介质含量和高EMI SE。该策略为制备具有优异电磁干扰屏蔽性能和低介质含量的薄膜提供了一种新的方法。

图文导读

I 表面斜纹结构纳米纤维复合膜的制备流程及表面结构分析

采用聚(乙烯醇共乙烯)(Pva-co-PE)纳米纤维和斜纹结构尼龙织物分别作为基材和过滤模板(图1a)。采用真空抽滤和模板法相结合的方法制备表面具有斜纹结构的PMₓAg纳米纤维复合膜。可以看出复合膜表面规整的斜纹结构和均匀分散的MXene和AgNW介质(图1a-d)。

图1. (a)具有预干涉斜纹结构的复合纳米纤维膜的制备示意图；(b)复合纳米纤维膜斜纹表面的SEM图像；(c)斜纹表面的曲面图；(d)斜纹表面的放大SEM图像。

II PMₓAg纳米纤维复合膜微观结构分析

图2a-d显示了PMₓAg纳米纤维复合膜的表面和横截面形貌SEM图。可以看出PMₓAg纳米纤维复合膜表面规整的斜纹结构以及MXene/AgNW在复合膜中均匀分布。图2e-m进一步证明表面斜纹结构的规整性(图2i)和MXene、AgNW两种介质在复合膜中均匀分散情况。

图2. (a, b)PM2.2Ag复合膜斜纹表面形貌的低倍和高倍SEM图像；(c, d)低倍和高倍放大PM2.2Ag复合膜的横截面形貌的SEM图像；PMₓAg纳米纤维复合膜表面的EDS元素: (e)形貌，(f) C元素，(g) Ag和(h) Ti元素；(i) 3D-CT图像(插入图：2D截面形貌)；(j-k)复合膜两个角度3D渲染图；(l)基材和介质分离的3D渲染图；(m)复合膜中MXene/AgNW分布的3D渲染图。

III 表面具有斜纹结构的PMₓAg纳米纤维复合膜电磁屏蔽效能

图3a-e说明了表面斜纹结构显著增强了PMₓAg纳米纤维复合膜的电磁屏蔽效能，证明斜纹结构的存在明显增加了复合膜内部电磁波的吸收，同时也验证了表面斜纹结构深度越大，增强的电磁屏蔽效能越明显(图3e)。图3g形象地展示了表面斜纹结构增强电磁波屏蔽性能的机理。图4为本研究制备的PMₓAg纳米纤维复合膜的电磁屏蔽效能与已报道的电磁屏蔽材料的对比图。

图3. (a, b)电磁波从膜的斜纹表面入射时的电磁屏蔽效能；(b)电磁波从膜的非斜纹表面入射的电磁屏蔽效能；(c)电磁波分别从PM7.4Ag纳米纤维复合膜两表面入射的电磁屏蔽效能；(d)电磁波分别从PM7.4Ag纳米纤维复合膜两表面入射的电磁屏蔽效能吸收比；(e)不同深度斜纹结构的PM2.2Ag膜的电磁屏蔽效能；(f)PM2.2Ag膜在特斯拉线圈装置上的物理演示；(g)电磁波从非斜纹和斜纹表面入射时的电磁波屏蔽机理图。

图4. (a，b，c)PMₓAg复合膜与已有报道的电磁屏蔽干扰材料的对比图；(d)PMₓAg纳米纤维复合膜的电磁屏蔽干扰机理；(e-f)MXene/AgNW含量和斜纹结构深度对电磁屏蔽效能影响的等高线图和表面响应模型图；(g)与已有报道的电磁屏蔽干扰材料相比，PMₓAg纳米纤维复合膜的优点。

IV 表面具有斜纹结构的PMₓAg纳米纤维复合膜力学性能

图5a-c，d-f分别为表面具有斜纹结构的PMₓAg纳米纤维复合膜的循环压缩和拉伸性能曲线和应力变化图。证明PMₓAg纳米纤维复合膜表现出优异的循环压缩稳定性和较高的拉伸强度。图5g为PMₓAg纳米纤维复合膜材料展现超轻、超韧和抗拉伸的图片。从图5h为Pva-co-PE、MXene、AgNW三组分间的化学键合作用，这解释了PMₓAg纳米纤维复合膜力学性能提升的内在因素。

图5. (a，b)低、高倍倍率下PMₓAg膜100次循环压缩曲线；(c)不同循环压缩次数的应力值变化；(d)不同PMₓAg复合膜的拉伸应力-应变曲线；(e)拉伸应力；(f)弹性模量；(g)复合膜材料展现超轻、超韧和抗拉伸的图片；(h)Pva-co-PE、MXene、AgNW三组分相互作用机理示意图。

V 表面具有斜纹结构的PMₓAg纳米纤维复合膜热管理性能

图6为PMₓAg纳米纤维复合膜的厚度和孔隙率统计结果。可以看出当MXene/AgNW含量为1.6 wt%时，膜厚度减小到93.6 μm，随着MXene/AgNW含量的增加而逐渐增加。这可能是由于MXene/AgNW的存在增加了纳米纤维复合膜的密度，而增加的介质填充量进一步促进了MXene和AgNW的积累，从而增强了MXene、AgNW和纳米纤维复合膜之间的界面相互作用。图6c-j证明了PMₓAg纳米纤维复合膜具有优异的导电、导热和热管理性能。

图6. (a)不同PMₓAg膜的厚度；(b)孔隙率；(c-d)电导率；(e)PM5.2Ag膜表面温度随时间的变化；(f)不同电压下通电55 s时PM5.2Ag膜的表面温度图像；(g)变压情况下PM5.2Ag膜的表面温度变化；(h)饱和温度与U²的实验数据线性拟合图；(i)不同电压下PM5.2Ag膜表面温度的Fluke IR图像；(j)PM7.4Ag膜表面快速加热的实时红外图像。

VI PMₓAg纳米纤维复合膜的亲水性、阻燃性和性能稳定性

为了适应复杂和变化的应用环境，高性能电磁波吸收材料往往同时具有疏水性、耐高温性、不可燃性和性能稳定性等优点。图7a-d为PMₓAg纳米纤维复合膜的水接触角测试图片和疏水机理图。可以看出制备的PMₓAg纳米纤维复合膜表现出优异的疏水性能。这归因于纳米纤维复合膜表面的斜纹结构和MXene/AgNW介质的存在显著增加了表面粗糙度，这使得水滴和复合膜表面更易形成连续空气层(图7d)。另外，与Pva-co-PE膜相比，PMₓAg纳米纤维复合膜开始燃烧后，Pva-co-PE燃烧物迅速粘附MXene/AgNW介质上，形成致密的不完全燃烧焦炭层，在不熔化的情况下延迟燃烧，如图7e，f所示。图7g和h分别为Pva-co-PE和PM7.4Ag纳米纤维膜的燃烧界面形貌的SEM图像。可以看出PM7.4Ag的燃烧界面由MXene/AgNW和不完全燃烧的纳米纤维的焦炭颗粒组成，形成了一个能够促进燃烧过程中快速散热的阻燃保护层(图7i)。

图7. (a-c)Pva-co-PE和PM7.4Ag复合膜的水接触角；(d)PMₓAg复合膜疏水性的增强机理图；(e，f)Pva-co-PE和PM7.4Ag复合膜阻燃性能测试图片；(g，h)燃烧后Pva-co-PE和PM7.4Ag的SEM图像；(i)PM5.2Ag复合膜的自淬灭机理图；(j)PM5.2Ag纳米纤维复合膜在2.5 V长期恒定电压下的时间-温度曲线；(k)PM7.4Ag复合膜受到不同应力后的电磁屏蔽效能；(l，m)PM7.4Ag纳米纤维复合膜在不同环境温度和不同弯曲次数下的电磁屏蔽干扰效率。

图7j显示了PM5.2Ag纳米纤维复合膜长时间焦耳加热性能。可以看出，该纳米复纤维合膜具有非常稳定的表面温度，约为80°C，持续时间超过1 h，证明了其优良的焦耳热稳定性和热管理应用的可靠性。图7k为PMₓAg复合膜受不同压力后的仍表现出优异的电磁屏蔽效能。同时，在环境温度为140℃和受循环弯折超过2000次时PMₓAg复合膜的电磁屏蔽干扰效率仍然在97%以上。以上结果表明本工作制备的PMₓAg纳米纤维复合膜具有优异的性能稳定性，对进一步拓展其应用范围具有重要意义。

VII 总结

本研究成功地制备了一种表面具有梯度斜纹结构的PMₓAg复合膜。采用真空抽滤和模板法相结合的方法实现了较低的MXene/AgNW填充量和高电磁屏蔽效能的纳米纤维复合膜的制备。证明了表面斜纹结构对入射电磁波方向的预干扰提升材料内部电磁波损耗的积极作用。由于各组分界面间的化学键合作用，PM7.4Ag膜的抗拉强度达到卓越的22.8 MPa。此外，PMₓAg纳米纤维复合膜具有优异的热管理性能、疏水性、不可燃性和性能稳定性。高电磁屏蔽效能PMₓAg纳米纤维复合膜的成功制备为兼具优异电磁干扰屏蔽性能和低介质含量的电磁屏蔽材料的开发提供了一种全新的策略。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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