山大王桂龙等：Janus结构Mxene复合膜实现优异电磁屏蔽和热管理

研究背景

随着柔性可穿戴电子设备和下一代通信技术的快速发展，对具备轻质、强韧、良好耐受性以及智能化热管理的多功能电磁屏蔽薄膜材料的需求日益增加。传统的导电多孔聚合物复合材料因其轻便性、柔性以及良好的设计可塑性，近年来成为研究的热点。然而，在提高电磁屏蔽效能的同时，现有方法通常面临着屏蔽材料厚度与填料浓度之间的平衡问题。传统设计难以同时满足高效屏蔽与轻便灵活的要求。因此，如何有效引入高含量的电磁功能填料，进而制备兼具优异机械强度和高孔隙率的多功能电磁屏蔽薄膜材料，仍然是一个亟待解决的问题。

Multifunctional Janus-Structured Polytetrafluoroethylene-Carbon Nanotube-Fe₃O₄/MXene Membranes for Enhanced EMI Shielding and Thermal Management

Runze Shao, Guilong Wang*, Jialong Chai, Jun Lin, Guoqun Zhao, Zhihui Zeng & Guizhen Wang

Nano-Micro Letters (2025)17: 136

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01647-x

本文亮点

1. 采用一种剪切诱导原位成纤与真空辅助过滤相结合的工艺，成功制备出了具有Janus结构的多功能聚四氟乙烯(PTFE)-碳纳米管(CNT)-Fe₃O₄/Mxene(FCFe/M)复合膜。

2. 通过策略化的分布MXene导电反射层与蚕丝状聚四氟乙烯-碳纳米管- Fe₃O₄(FCFe)电磁波吸收层，FCFe/M复合膜基于“吸收-反射-重吸收”的电磁波屏蔽机制实现了坚固的电磁干扰屏蔽和有效抗反射。

3. FCFe/M复合膜展现了包括高效的热扩散以及电热/光热转换在内的卓越的智能化热管理性能，进一步拓宽了其在柔性可穿戴技术中的应用前景。

内容简介

在这项工作中，山东大学王桂龙教授团队通过一种剪切诱导原位成纤与真空辅助过滤相结合的创新工艺，成功制备出了具有Janus结构的多功能柔性FCFe/M复合膜。得益于合理的组分分配和Janus型的结构设计，该复合膜能够通过“吸收—反射—重吸收”机制实现电磁波的高效吸收。在仅84.9 µm的薄膜厚度下，FCFe/M薄膜在X波段的最大EMI屏蔽效能高达44.56 dB，且比屏蔽效能突破了10,421.3 dB·cm²·g⁻¹，远超传统屏蔽材料。此外，凭借材料本身的固有特性和Janus结构所赋予的各向异性，FCFe/M薄膜展现了出色的机械性能、自熄性、疏水性、耐腐蚀性以及个性化的热管理能力。该研究提出的多功能Janus型结构设计，不仅具备抗电磁辐射和温度调控功能，还有望成为下一代可穿戴电子设备、视觉加热、热疗以及军事和航空航天领域的有力候选材料。

图文导读

I FCFe/M薄膜制备技术

FCFe/M复合膜通过剪切诱导原位成纤与真空辅助过滤相结合的工艺进行制备。如图1所示，首先，将CNT/Fe₃O₄/PLA混合物与PTFE颗粒通过双螺杆挤出机进行热复合。在此过程中，PLA熔体作为润滑剂，将螺杆产生的剪切力传递给PTFE颗粒，促使PTFE晶体解缠并纤维化形成纳米纤维结构。与此同时，CNT纤维与PTFE纳米纤维交织，形成独特的双纳米纤维结构，并牢固捕获Fe₃O₄纳米颗粒。接着，将该混合物通过热压成薄膜，并反复洗涤以获得FCFe薄膜。最后，将少层MXene分散液通过真空辅助过滤技术沉积在FCFe薄膜的一侧。

图1. 基于原位成纤与真空辅助过滤策略制备FCFe/M Janus膜的示意图。

II FCFe/M薄膜的微观形貌和结构表征

图2a和2b展示了FCFe/MXene薄膜的宏观光学图像和微观结构。FCFe/M膜整体呈黑色，在FCFe层中，PTFE纳米纤维与而较细、弯曲的CNT纳米纤维相互交错，缠结成了一个多孔且坚固的双纳米纤维结构。这种类蚕丝状的纳米纤维网络不仅牢固地捕捉Fe₃O₄纳米颗粒，还有效防止MXene纳米片渗透进入FCFe层(图2c)。如图2d所示，FCFe/M呈现明显分层结构，其中致密的MXene层(25.7 µm)通过氢键和范德华力与FCFe支撑层(59.2 µm)紧密结合。XRD和XPS分析进一步验证了MXene层与FCFe层之间的相互作用。如图2e所示，与纯MXene相比，FCFe/M-M(FCFe/M薄膜的MXene一侧)中代表(200)晶面的峰位向低角度移动(从6.7°移至6.2°)，表明FCFe层通过强相互作用与MXene层紧密结合。而通过细致的分峰拟合发现，相较于纯FCFe和MXene薄膜，在FCFe/M薄膜两侧的O 1s谱中，多个化学键出现了峰位偏移的现象，进一步确认了MXene与FCFe之间氢键的形成。这种由氢键和范德华力驱动的差异性配位相互作用，使复合膜能够保持稳定的Janus结构。

图2. FCFe/M薄膜的微观形貌和结构表征。(a)FCFe/M-M的数码照片和表面形貌；(b)FCFe/M-F的数码照片和表面形貌；(c)桑蚕丝的照片和微观图像；(d)FCFe/M Janus膜的截面形貌和元素分布图；(e)为FCFe/M的XRD图谱；(f)为MXene、FCFe/M和FCFe的XPS谱图；(g)MXene和FCFe/M-M的O 1s谱图；(h)FCFe和FCFe/M-F的O 1s谱图。

III FCFe/M薄膜的机械性能、热稳定性、疏水性和阻燃性

得益于PTFE纤维的固有机械强度以及FCFe与MXene层之间的强界面相互作用，FCFe/M Janus膜表现出卓越的机械性能和出色的柔韧性(图3a，b)。此外，高含量Fe₃O₄的引入使FCFe/M薄膜展现出了典型的铁磁特性(图3c)。图3d和3e展示了轻质FCFe/M薄膜良好的强韧性。除此之外，FCFe/M膜在-150°C至300°C的宽温度范围内表现出卓越的耐久性和稳定性(图3f)。为进一步阐明FCFe/M Janus结构膜的增强增韧机制，提出了可能的断裂过程。如图3g所示，在拉伸过程中，FCFe/M膜中的MXene层首先出现裂纹并发生破坏，而FCFe层中的聚合物链在应力作用下发生滑移，有效阻止了裂纹的进一步扩展。

图3. FCFe/M膜的表征和宏观性能。(a) FCFe/M膜的应力-应变曲线；(b) FCFe/M膜的拉伸应力、断裂伸长率和杨氏模量；(c) FCFe/M的磁滞回线(插图展示了磁铁吸引FCFe/M膜)；(d) 0.13克FCFe/M-70m膜承受200克重物的照片；(e)由FCFe/M膜折叠而成的纸飞机，停放在蒲公英上的照片；(f) FCFe/M-70m膜的DMA曲线；(g) FCFe/M膜的断裂机制示意图；(h) FCFe/M-70m膜在酒精灯下的数字照片；(i) MXene侧表面上的水滴照片；(j) FCFe侧表面上的水接触角；(k) 通过清洁纺织品上的污垢展示自清洁功能；(l) MXene、FCFe和商业纺织品的耐腐蚀性对比。

许多传统导电聚合物材料易燃，这在实际应用中可能引发火灾危险。如图2h所示，FCFe/M膜则表现出良好自熄和抗熔滴性能，显著提升了其在安全方面的优势。此外，FCFe/M膜还展现出了亲水/疏水两面异性。如图3i、j和k所示，FCFe/M-M水接触角(WCA)为52°，而FCFe/M-F面凭借PTFE的低表面能和粗糙的表面纹理，一实现了高达153°的超疏水角。能够轻松从FCFe/M-F表面滚落并带走污染物，展现了出色的自清洁能力。图3l进一步证明了FCFe膜在各种严苛化学条件下的强大耐久性。因此，在FCFe/M Janus膜的应用过程中，暴露FCFe侧于外部环境即可有效保护MXene导电层，从而增强材料的使用寿命和性能稳定性。

IV FCFe/M薄膜的电性能和电磁屏蔽性能

理论上，EMI屏蔽材料的性能与其电导率和内部微观结构密切相关。如图4a所示，纯FCFe膜的电导率仅为1.12 S·cm⁻¹。随着MXene含量增加至70 wt.%，其电导率急剧上升至402.7 S·cm⁻¹。这一显著变化使得FCFe/M Janus膜两面表现出不同的电导率，从而能够实现对灯泡开关的控制(图4b)。图4c、d和e展示了FCFe/M膜在X波段的电磁波屏蔽性能。MXene和Fe₃O₄含量的增大都会提高薄膜的电磁屏蔽效率，FCFe/M薄膜的EMI SE最高可达44.56 dB，远超商业要求(>20 dB)。

此外，FCFe/M薄膜的Janus结构特性使得其对电磁波入射方向具有显著的依赖性。如图4f和g所示，电磁波入射方向对总屏蔽效率(SET)没有影响。然而，当波从FCFe侧入射时，吸收屏蔽效率(SEA)的增加幅度明显大于从MXene侧入射时。并且，此时SEA在SET中的比例更大。进一步测量了反射系数(R)、吸收系数(A)和透射系数(T)，以便深入了解FCFe/M薄膜的屏蔽模式。结果显示，随着MXene含量的增加，R值显著增加，这表明，MXene主要增强了薄膜的电磁波反射能力。当电磁波从MXene侧入射时，FCFe/M-70m的R值为0.91，显著高于从FCFe侧入射时的0.76，表明从FCFe一侧入射时能够显著提高FCFe/M薄膜的抗反射能力。这可能使由于FCFe/M Janus膜两侧与自由空间的阻抗匹配差异所造成的结果。此外，Fe₃O₄纳米粒子产生的磁损耗显著增强了FCFe层的EMW吸收能力。如图4h所示，随着Fe₃O₄含量的增大，SET增加了8.86 dB，SEA和A值分别上升了51.2%和75.1%。

图4. FCFe/M膜的电学性能和EMI屏蔽性能。(a)不同MXene含量下的FCFe/M Janus膜的厚度和电导率；(b)数字图像展示了在不同测试条件下小灯泡亮度的变化；(c) 从MXene侧入射时，FCFe/M膜的EMI SE；(d) 从FCFe侧入射时，FCFe/M膜的EMI SE；(e) 不同MXene和Fe₃O₄含量的FCFe/M膜的EMI SE 3D柱状图；(f) 从MXene侧入射时，FCFe/M膜的EMI屏蔽性能和功率系数；(g) 从FCFe侧入射时，FCFe/M膜的EMI屏蔽性能和功率系数； (h) 不同Fe₃O₄含量下的FCFe/M膜的EMI屏蔽性能和功率系数；(i) 照片展示了FCFe/M-70m膜有效阻止无线电波传输；(j) FCFe/M-70m膜弯曲和折叠前后的EMI SE；(k) FCFe/M-70m膜的比屏蔽效能与典型屏蔽材料的对比。

得益于FCFe/M薄膜优异的电磁波屏蔽性能，厚度仅为84.9 µm的FCFe/M-70m就可以有效阻止无线电的传输(图4i)。此外，FCFe/M薄膜展现了其在复杂机械环境下卓越的EMI屏蔽性能稳定性(图4j)。考虑到FCFe/M膜的轻质、柔性和薄型特性，计算了其比屏蔽效能(SSE)。如图4k所示，FCFe/M膜的SSE值达到了10421.3 dB·cm²·g⁻¹，超过了许多典型的EMI屏蔽材料。

V FCFe/M Janus薄膜的电磁屏蔽机制

图5a展示了FCFe/M膜的EMI屏蔽机制。当EMW从FCFe侧入射时，由于FCFe层的低导电性，波能够更容易地穿透到吸收层中，从而以传导损耗和磁损耗的形式被耗散。随后当EMW到达MXene层时，大部分剩余的波因界面阻抗不匹配被立即反射回FCFe层，并在该层内重新吸收。仅有一小部分波能够进入MXene层，在此以多层反射、欧姆损耗和偶极极化的方式被耗散。因此，通过合理控制入射方向，FCFe/M Janus结构膜就可以形成“吸收-反射-重吸收机制”的EMI屏蔽机制，在实现坚固屏蔽的同时保持良好的抗反射性能。进一步通过CST仿真可视化EMI屏蔽过程。如图5b-f所示，随着FCFe/M中MXene含量的增大，FCFe/M膜与接收源S2之间的电场和磁场强度显著降低，这表明FCFe/M膜能够有效衰减电磁波的传播，验证了其作为高效屏蔽材料的潜力。

图5. FCFe/M膜的EMI屏蔽机制及屏蔽性能的可视化仿真。(a) FCFe/M膜的EMI屏蔽机制，包括阻抗不匹配、磁损失、多次反射和散射、欧姆损失以及极化损失；(b)CST仿真结果，展示了FCFe/M在X波段的屏蔽性能。

VI FCFe/M薄膜的热导率和焦耳加热性能

得益于高热导率材料CNT、Fe₃O₄和MXene的引入，FCFe/M薄膜展现出了卓越的导热性能。FCFe/M-70m膜的平面热导率和贯穿面热导率分别为19.89和1.92 W·m⁻¹·K⁻¹，表现出明显的热导率各向异性。因此，FCFe/M薄膜能够实现快速散热，从而避免过热对膜下电子组件或皮肤造成损害。

图6. FCFe/M薄膜的焦耳加热性能。(a)不同电压下FCFe/M-70m薄膜表面温度-时间曲线；(b)平衡温度与电压平方之间的实验数据和拟合直线关系；(c)在0.6V电压波动下，FCFe/M-70m薄膜表面温度变化曲线；(d) FCFe/M-70m薄膜长期加热稳定性测试；(e)FCFe/M-70m薄膜的循环稳定性实验；(f)在3V电压下，具有不同MXene含量的FCFe/M薄膜的表面温度-时间曲线；(g)FCFe/M-70m薄膜的热致变色现象。

此外，FCFe/M薄膜的优异电导率和热导率使其成为便携式电加热器的理想候选材料。如图6a所示，在3V电压下，FCFe/M膜的表面温度最高可达140.4°C，并表现出快速的升温和降温特性，这表明FCFe/M膜具有快速响应的电热转换效率。此外，FCFe/M薄膜在智能温控设备中展现出了的巨大应用潜力。如图6b和c所示，FCFe/M膜的平衡温度与电压平方成良好的线性相关，并且即使在低至0.6V的电压波动下，也能实现迅速的温度调节。图6d和e则展示了FCFe/M膜在电热过程中的优异稳定性与重复使用能力，证明其长期使用中的可靠性。随着MXene含量的增加，FCFe/M-70m膜的平衡温度逐渐上升(图6f)，这一现象归因于MXene含量提升所带来的更高的电导率。最后，FCFe/M膜的优异电热特性实现了快速且显著的热致变色效果，这一特性使其能够有效监测环境温度变化，从而用于预防火灾和高温危险状况的早期预警。

VII FCFe/M薄膜的光热转换特性

由于MXene层表面电子的光激发相干振荡，FCFe/M薄膜表现出卓越的光热转换能力。UV-Vis-NIR光谱表明，FCFe/M-70m薄膜具有出色的光吸收能力，其太阳光吸收率最高达90.34%，这使其具备了必要的辐射加热能力(图7a)。当FCFe/M-70m薄膜的MXene面暴露在模拟阳光下时，其稳态温度迅速升高，最高可达145.7°C(图7b)。图7c显示，FCFe/M-70m薄膜能够根据光功率密度的变化快速调节其表面温度，表现出明显的梯度升高，证明其光热转换性能的可调控性。此外，FCFe/M复合膜在光热转换过程中展现出均匀的温度分布，这使其成为高性能可穿戴智能加热器的有力候选材料(图7d)。图7e和f则展示了FCFe/M膜在光热转换过程中优异的可持续性和循环稳定性，证明其在长期使用中的可靠性。进一步探究MXene含量对光热转换过程的影响，结果显示MXene的引入显著提高了Janus薄膜的光热稳态温度加热速率(图7g)。最后，图7h展示了FCFe/M薄膜的光热转换机制示意图。FCFe/M薄膜主要通过MXene层中的电子跃迁和局部表面等离子共振(LSPR)效应增强光吸收和光热转换效率。

图7. FCFe/M薄膜的光热转换性能。(a)FCFe/M-70m薄膜的UV-vis-NIR吸收和反射光谱；(b)在模拟阳光照射下FCFe/M-70m薄膜的温度-时间变化曲线；(c)在光功率密度梯度变化下，FCFe/M-70m薄膜表面温度-时间变化曲线；(d)在不同光功率密度下，FCFe/M-70m薄膜的红外图像；(e)FCFe/M-70m薄膜在不同光功率密度下的循环稳定性测试；(f) FCFe/M-70m薄膜的长期光热稳定性测试；(g) 不同MXene含量的FCFe/M薄膜温度-时间变化曲线；(h) FCFe/M Janus薄膜的光热转换机制示意图。

VIII 总结

该研究通过剪切诱导原位纤维化与真空辅助过滤工艺相结合的工艺，制备了一种具有Janus结构的柔性多功能FCFe/M复合膜，从而用于高效电磁屏蔽和智能化热管理。其中高导电性的MXene层与柔韧耐用的蚕丝状FCFe纳米纤维网络紧密结合，赋予复合膜出色的电/热导率、机械性能、热稳定性、超疏水性和阻燃性。此外，导电反射层和磁性吸收层的策略性分布使Janus膜能够通过“吸收-反射-重吸收”机制有效衰减电磁波。厚度仅为84.9 µm的FCFe/M膜的EMI SE最高可达44.56 dB，其比屏蔽值更时高达10421.3 dB·cm²·g⁻¹，超过了许多传统屏蔽材料。同时，得益于MXene的优异电/热导率和Janus结构，FCFe/M膜在个性化热管理应用中展现出卓越性能。在适当的电刺激(3 V)和光照射(320 mW·cm⁻²)下，膜表面温度最高可达140.4°C和145.7°C，表现出快速、稳定、高效的加热和散热过程。这些特性使得FCFe/M膜成为寒冷地区自加热应用的有力候选材料。因此，本研究提出的创新Janus结构设计为开发具有强大屏蔽性能和有效抗反射性能的多功能EMI屏蔽材料提供了一种实际解决方案。

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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 JCR 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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