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

【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

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