西北工业大学周永存CoCo：一种应用于热管理和电磁屏蔽领域的可控双梯度MXeneAgNWs空心-Fe₃O₄CNF复合薄膜

  随着科技的快速的提升，5G通信技术和电子设备的应用已深入到人们的日常生活中。然而，这些设备的高功率运行导致的电磁污染和热量积累等问题，不仅会影响精密电子设备的常规使用的寿命和性能，还会对人们的身体带来潜在的健康风险。因此，迫切地需要在导热性能和电磁屏蔽方面均表现优异的复合材料来有效地面对这些挑战。

  MXene由于其独特的层状结构、类似金属的导电性和丰富的表面官能团，被大范围的使用在储能、海水淡化和电磁干扰(EMI)屏蔽应用。然而，Ti3C2Tx的高导电性也导致在电磁波的界面处存在很明显的阻抗失配问题，导致大量电磁波反射造成二次电磁波污染；同时MXene层间低热导率也限制了其在热管理材料中的应用与发展。

  近日，西北工业大学材料学院周永存副教授报道了一种具有可控导电-磁双梯度结构的三层复合薄膜，以纤维素纳米纤维(CNF)作为复合薄膜的基体，通过在不同层中添加不同质量的导电填料(MXene、AgNWs)和磁性颗粒(Fe3O4)。通过构建薄膜双梯度结构改善了阻抗失配问题，双梯度结构(MAF)-25/CNF在电磁波从低导电性一侧入射情况下的吸收系数(A)达到0.23，屏蔽效能达到45.8 dB；同时2D MXene、1D AgNWs和0D空心Fe3O4通过多维粒子间相互作用明显地增强了薄膜的导热性，最高可达2.92 W/mK。

  通过逐层真空辅助抽滤工艺制备梯度结构复合薄膜。MXene、AgNWs和中空Fe 3O 4均匀分布在复合薄膜中，且彼此搭接，形成紧密的结合。

  当电磁波在低导电性高磁性一侧入射时，入射电磁波首先接触吸收层，由于良好的阻抗匹配特性，使得电磁波能更好地进入屏蔽材料内部，而在高导电性一侧入射，由于严重的阻抗失配，导致电磁波在表面被反射的含量加剧，影响了材料对电磁波的吸收能力。当梯度结构为(MAF)-25/CNF时，在低导电性一侧入射的吸收系数A达到0.23，而在高导电性一侧入射的吸收系数A仅为0.05，两者相差0.18。单独对(MAF)-15/CNF和(MA-15)-F/CNF做多元化的分析发现兼具电/磁-双梯度结构的屏蔽结构能够缓解入射电磁波与复合薄膜的阻抗失配问题，使尽可能多的电磁波进入复合薄膜内部进行耗散和衰减。

  图3. (a)不同入射方向的电磁波示意图(ED沿电导率下降方向入射，MD沿磁性下降方向入射), (b)双梯度复合薄膜的EMI SE, (c)双梯度复合薄膜不同入射方向的R和A，均质Fe3O4/导电梯度复合薄膜和双梯度复合薄膜(d)EMI SE, (e)不同入射方向下的R、A, (f)合成的MAF/CNF复合材料与已报道的屏蔽复合材料的SSE比较。

  在均质结构里，向体系中加入磁性材料Fe 3O 4后，材料的热导率达到2.92 W/mK，是纯CNF薄膜的2.25倍，这表明通过高横纵比的填料混合和真空过滤形成良好的界面结合增加了声子传输通道，来提升了其导热性能。而梯度结构由于导热填料分布不均匀，相比于均质结构，热导率会降低，且随着两层间填料质量差逐渐增大，导热性能逐渐降低。

  图4. (a)均质复合薄膜导热系数, (b)梯度复合薄膜导热系数, (c)复合薄膜表面温度曲线, (d)几种复合薄膜从加热至冷却的热成像光谱。

  综上所述，本工作通过简单的逐层真空辅助过滤制备了具有可控导电-磁双梯度结构的MAF/CNF复合薄膜，通过改变每层中导电填料MA和磁性填料Fe 3O 4来调节相邻层间的梯度差。引入的磁性填料引入了新的损耗机制（磁损耗），而梯度结构可以有效改善自由空间和复合薄膜之间的阻抗失配问题，提高了薄膜对电磁波的吸收能力，通过吸收层、过渡层、反射层有机结合，使得电磁波经历“吸收-反射-再吸收”过程，从而增强了薄膜的EMI屏蔽效能；而基于多维粒子间结合，增强了材料的导热性能，导热系数最高可达2.92 W/mK；所制备的多功能复合薄膜在EMI屏蔽和热管理领域具有较高的应用前景。

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