用于高性能电磁屏蔽和热管理的石墨烯/MXene复合材料

热管理博览会 2023年9月12日浏览：829

来源 | ACS Applied Nano Materials

背景介绍

随着无线通信平台和便携式电子产品向高集成度、小型化、轻量化、高功率密度方向快速发展，全球电磁辐射污染日益严重。严重的电磁干扰(EMI)不仅会干扰电子设备的正常工作，而且会对人体健康和其他生物系统产生不利影响因此，人们致力于通过制造各种具有独特结构特性的电磁干扰屏蔽材料来缓解电磁辐射问题。

在报道的电磁干扰屏蔽材料中，金属基箔/薄膜(如铜箔，铝箔和MXene薄膜)具有优异的导电性，但通常存在一些缺点(如耐腐蚀性差和质量密度高)，这在一定程度上阻碍了它们的实际应用。另一方面，具有轻量化和多孔结构的杂化二维导电材料(如还原氧化石墨烯(rGO)/ MXene,Ti3C2Tx/rGO和Ti3C2Tx/碳纳米片)已被认为是EMI屏蔽应用的有希望的候选者。

然而，由于含有丰富的含氧官能团，通常会导致复合膜的导电性较差，屏蔽电磁干扰的效果(SE)较低。此外，将低维导电填料(例如，1D碳纳米管， 2D氧化石墨烯， 2D石墨烯纳米片，和2D MXene)掺入电绝缘聚合物中构建的导电聚合物复合材料(CPCs)被认为是替代EMI屏蔽候选材料，但这些CPCs的EMI SE值仍然令人不满意。因此，开发具有独特结构特性和提高电磁干扰屏蔽效果的新型电磁干扰屏蔽材料是迫切需要的。

与一维和二维导电填料相比，具有相互连接的多孔网络的三维石墨烯泡沫/薄膜由于其轻量化和优异的导电性和导热性等优点，已被用于EMI屏蔽和热管理应用。尽管取得了相关进展，但大多数的柔性EMI屏蔽泡沫/薄膜仍然遇到一些缺点，例如导电性差，热稳定性不理想，SE不足(通常<60 dB)，以及较小厚度下的特定SE (SE/密度/厚度，SSE/t)，这限制了它们的进一步应用。在这种情况下，设计和开发具有卓越EMI屏蔽和焦耳加热性能的柔性材料，仍然是一个巨大的挑战。

成果掠影

近期，新加坡南洋理工大学Edwin Hang Tong Teo教授针对开发用于便携式和小型化电子产品的电磁干扰屏蔽和增强热管理能力的柔性薄膜材料取得最新进展。该文提出结合三维多孔石墨烯薄膜和MXene纳米片的优点，通过真空辅助过滤的方法，将MXene纳米片与三维多孔石墨烯薄膜衬底集成，制备出具有独特结构特征、优异柔韧性和优异电磁干扰屏蔽能力的柔性石墨烯/MXene (G/M)复合薄膜。本研究中提出的石墨烯/石墨烯复合薄膜直接使用3D互连多孔石墨烯薄膜和MXene水性分散体作为起始材料进行组装，无需进一步的热处理。得益于MXene层的褶皱结构和石墨烯膜的互连多孔网络的协同效应，所获得的G/M复合薄膜具有更高的柔韧性，并具有高达96.3 dB的高EMI SE，优于迄今为止报道的大多数类似厚度的屏蔽材料。此外，聚合物修饰的G/M复合薄膜在低驱动电压下表现出高效的电热转换能力。这些柔性G/M复合薄膜具有优异的电磁干扰屏蔽和焦耳加热综合功能，有望应用于下一代微型化柔性电子产品。研究成果以“Flexible Graphene/MXene Composite Thin Films for High Performance Electromagnetic Interference Shielding and Joule Heating”为题发表于《ACS Applied Nano Materials》。

图文导读

用于高性能电磁屏蔽和热管理的石墨烯/MXene复合材料的图3