中科大俞书宏院士《Nano Lett.》可持续的双网络电磁屏蔽水凝胶材料|nano lett.|水凝胶|电磁干扰|纳米|聚合物

【科研摘要】

具有出色的 EMI屏蔽效率（SE），轻便的性能和出色的机械性能的电磁干扰（EMI）屏蔽材料对于现代社会至关重要，但是在一种材料上同时实现这些性能仍然是一个挑战。最近，中科大俞书宏院士团队报道了一种可持续的，受生物启发的双网络结构材料，它具有出色的比强度（146 MPa g –1 cm 3 ）和纤维素纳米纤维（CNF）和碳纳米管（CNT）的出色的EMI SE（100 dB），这证明了卓越而杰出的对典型的金属材料和已报道的聚合物复合材料均具有出色的性能。特别是，受生物启发的双网络结构设计同时实现了极高的电导率和机械强度，这使其成为一种轻量级，高屏蔽效率的材料，并且是用于现实电磁波屏蔽应用的可持续结构材料。相关论文以题为 Sustainable Double-Network Structural Materials for Electromagnetic Shielding 发表在《Nano Letters 》上。

【图文解析】

作为 CNF/CNTs主体的主要成分，CNF被认为是一种很有前途的高性能，高结晶度的全天然纳米纤维，可以与CNTs进行尺寸匹配和组装，可以通过我们的生物启发形成仿生的双重网络。提供卓越的导电性和机械强度的策略。图1示意性地示出了CNF / CNTs双网状复合结构材料的制备，其始于CNF/CNTs水凝胶的制备。通过将一定浓度的钙离子（Ca 2+ ）水溶液作为交联剂喷涂到CNF/CNTs混合物中，CNF可以借助Ca 2+ 和CNF的羧基之间形成的配位键与自身发生交联。纳米纤维之间形成了丰富的氢键。

图 1. CNF/CNTs结构材料的结构和特征。（a）CNF可以来源于植物，而CNT可以商业获得。（b）CNF和CNT相互交联，形成具有三维双网状结构的坚固水凝胶。（c）通过热压由CNF/CNTs水凝胶制造CNF/CNTs本体。（d）CNF/CNT的示意图。（e）EMI屏蔽图。（f）比较CNF/CNT与CNT /聚合物和金属的某些特征。

宏观上，合成的水凝胶是具有黑色的机械坚固的湿凝胶（图 2a，插图）。扫描电子显微镜（SEM）图像显示了CNF/CNTs复合材料水凝胶的生物启发性双网络的纳米级结构（图2a），该结构由在CNF网络内均匀渗透的CNT组成。由于CNF和CNT可以在尺寸上匹配，因此它们被组装并彼此缠绕，从而导致CNT均匀地分散在CNF的网络中。通过压制，块状物形成光滑的表面和致密的结构（图2b，f）。值得注意的是，SEM图像表明，这种不规则的双网状结构是在压制过程后继承的（图2c–e），从而导致了致密而均匀的纳米纤维双网状结构，因为致密的 CNF网络通过强大的纤维间氢键和致密化增强了机械强度 CNTs网络改善了导电性能。

图 2.水凝胶和大量CNF/CNT的照片和SEM图像。（a）CNF/CNTs水凝胶的SEM图像显示了其双网络结构。（插入：CNF/CNTs水凝胶的照片）。（b）CNF/CNTs散装照片。（c，d）CNF/CNT本体的断裂表面的SEM图像显示出许多CNF和CNT被拔出。（e）CNF/CNTs的双重网络的SEM图像，为其高电导率和机械性能提供了结构基础。（f）CNF/CNTs块光滑表面的SEM图像。

通过这种以生物为灵感的双网络结构设计，可以成功地将 CNF的出色机械性能和CNT的可观电导率放大到宏观水平。碳纳米管含量为30 wt％时，极限弯曲强度和模量分别可以达到186 MPa和5.5 GPa（图3a，b），表明我们的材料具有出色的机械性能，使其可以用作超强结构材料。此外，通过改变所使用的CNT的比例，可以将CNF / CNT本体中的CNT含量广泛地从20重量％调节至90重量％。

图 3. CNF/CNT的机械性能和电性能以及EMI屏蔽效率。（a）由30、50和70 wt％的CNT组成的CNF/CNT的弯曲应力-应变曲线。（b）由30、50和70 wt％的CNT组成的CNF/CNT的模量和挠曲强度。（c）CNF/CNT与其他广泛使用的EMI屏蔽金属的比强度比较。（31）（d）CNF/CNT在室温下的典型I–V曲线表明其纯电阻。（e）CNF/CNT的电导率作为CNT重量分数的函数。（f）不同厚度的CNF/CNT的EMI SE。

与用于 EMI屏蔽的其他材料（包括rGO/聚合物，CNT/聚合物，CF/聚合物，金属材料和一些其他材料）相比，CNF/CNT体积在相同厚度下显示出最高的EMI SE（图4a），这表明 CNF/CNTs复合材料作为下一代EMI屏蔽结构材料具有竞争力。而且，由于CNF和CNT都具有高耐化学性和耐腐蚀性，因此可以极大地延长使用寿命。为了评估可变温度下 CNF / CNT的机械性能，进行了快速热冲击。在两个极端温度条件（-196和120°C）之间经历了20倍的快速热冲击循环后，CNF/CNT的机械性能仅略有变化（图4b，c），这对于极端条件下的实际应用而言非常重要环境。CNF / CNTs复合材料在一种材料中具有多种显着特征，包括高EMI屏蔽效率，出色的机械强度，出色的耐腐蚀性，出色的耐化学性以及高效的可加工性，在许多领域的实际应用中具有竞争力。例如，在现代社会中，电磁脉冲（EMP）干扰已被视为对现代电子系统的潜在威胁。CNF/CNTs被认为是一种有前途的保护措施，可以防止具有精密电子设备的车辆受到物理冲击以及EMP或其他电磁干扰的干扰（图4e）。此外，很明显，CNF/CNTs作为结构材料可以用作建筑材料，以建造坚固的建筑物，同时还可以抵抗强电磁干扰，从而确保内部电子设备的安全性和稳定性以及数字信息的机密性（图 4d）。

图 4. 不同厚度的EMI SE与CNF/CNT的抗冲击性能的比较。（a）将不同厚度的CNF/CNT的EMI SE与已报道的基于金属的材料，基于CNT的聚合物纳米复合材料，基于氧化石墨烯（rGO）的还原聚合物纳米复合材料，基于碳纤维的聚合物纳米复合材料以及其他一些材料进行比较报告了EMI屏蔽材料。每个符号表示材料类别集。（b）快速热冲击的示意图。（c）快速热冲击20次循环前后CNF/CNT的弯曲应力-应变曲线。（d）由CNF/CNT建造以抵抗高电磁干扰的建筑物的示意图。（e）用于保护车辆不受 EMP干扰的CNF/CNT的示意图。

【总结】

团队开发了一种简单且可扩展的受生物启发的策略，以将 CNF和CNT处理为高性能EMI屏蔽结构材料CNF/CNT，该材料在一种材料中具有多种功能，包括出色的机械强度，优异的耐腐蚀性，出色的耐化学性，以及高效的可加工性。由CNF和CNT形成的具有生物启发性的致密且均匀的纳米纤维双网状结构，具有极高的机械强度和导电性。得益于这些出色的性能，CNF/CNTs复合材料有望成为用于EMI屏蔽的高强度轻质结构材料。

参考文献： doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c05081