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  電子設(shè)備的快速發(fā)展使電磁輻射、電磁干擾等問題日益突出，嚴重影響電子設(shè)備的正常運行和信息的安全傳遞，并危害人體健康。柔性電磁屏蔽材料可對電子設(shè)備及其所處環(huán)境進行有效防護，阻止電磁信息泄漏、切斷電磁波傳播途徑、抑制電磁波的輻射和干擾，是解決電磁輻射和電磁干擾問題最為重要的技術(shù)手段之一。隨著新一代柔性電子設(shè)備智能化、便攜化以及可穿戴化的發(fā)展趨勢，對電磁屏蔽材料的柔性、輕質(zhì)、導(dǎo)熱性能及力學(xué)性能等方面也提出了更高的要求，亟需研制新型高性能、多功能柔性電磁屏蔽復(fù)合膜。

  西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院顧軍渭教授“結(jié)構(gòu)/功能高分子復(fù)合材料”（SFPC）課題組通過在共摻雜聚苯胺（c-PANI）和環(huán)氧樹脂基體中直接填充Ti₃C₂T_x MXene制備出優(yōu)異電磁屏蔽效能（EMI SE）的Ti₃C₂T_x/c-PANI（Compos Sci Technol, 2019, 183: 107833）和Ti₃C₂T_x/環(huán)氧樹脂（Compos Part B-Eng, 2019, 171: 111--2019年“中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文”）復(fù)合材料。采用化學(xué)接枝法制備電磁復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)填料（Carbon, 2019, 141: 506），利用MWCNT-Fe₃O₄@Ag的結(jié)構(gòu)、維度特征實現(xiàn)電磁多元損耗，在相對低的填料用量下賦予環(huán)氧樹脂復(fù)合材料優(yōu)異的EMI SE。通過將高度規(guī)整的石墨烯膜（RGFs）定向排列構(gòu)筑于環(huán)氧樹脂基體中制備出X波段EMI SE高達82 dB的RGFs/環(huán)氧樹脂電磁屏蔽復(fù)合材料（Compos Part A-Appl S, 2019, 124: 105512）。

  針對共混復(fù)合制備的電磁屏蔽高分子復(fù)合材料填料用量大，難以兼顧其優(yōu)異的可加工性和高電磁屏蔽效能（EMI SE）的技術(shù)瓶頸難題，基于CuNWs-TAGA（Compos Part A-Appl S, 2020, 128: 105670--2020年“中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文”）、Fe₃O₄/TAGA（Compos Sci Technol, 2019, 169: 70）、Fe₃O₄/CNT/GA（Compos Sci Technol, 2019, 181: 107683）、PANI/MWCNT/TAGA（Compos Part A-Appl S, 2019, 121: 265）、MXene/C（Compos Part A-Appl S, 2019, 123: 293）、AgPs/rGF（Nanoscale, 2019, 11: 22590）和GNPs/GA（J Mater Chem C, 2019, 7: 2725）等三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)骨架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與可控構(gòu)筑，實現(xiàn)了低填料用量下環(huán)氧樹脂復(fù)合材料EMI SE的快速高效提升。以氧化鋁蜂窩為模板，通過“犧牲模板-冷凍干燥-真空輔助浸漬”法成功構(gòu)筑了具有規(guī)整三維蜂窩結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂電磁屏蔽復(fù)合材料（Nano-Micro Lett, 2022, 14: 51；Sustain Mater Techno, 2020, 24: e00153；Compos Sci Technol, 2019, 181: 107698），三維蜂窩結(jié)構(gòu)的構(gòu)建顯著提高了環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電磁屏蔽性能，同時賦予復(fù)合材料優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。采用定向冷凍法誘導(dǎo)填料序列化分布并組裝為有序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)高效導(dǎo)電損耗同時利用填料/聚合物界面增強內(nèi)部電磁波的多次有規(guī)律的反射和重吸收，實現(xiàn)高分子復(fù)合材料EMI SE的快速高效提升（Research, 2022, 2022: 9780290；Research, 2020, 2020: 4093732）。采用“氫鍵驅(qū)動自組裝-溶膠凝膠-冷凍干燥”法制備柔性電磁屏蔽高分子復(fù)合材料的新策略，增強了入射電磁波與高分子復(fù)合材料之間的導(dǎo)電損耗，實現(xiàn)在低填料用量下卓越的EMI SE（Nano-Micro Lett, 2021, 13: 91）。將石墨烯和MXene氣凝膠等構(gòu)筑于高度有序的天然生物質(zhì)基多孔碳骨架中構(gòu)筑類“磚-泥”結(jié)構(gòu)制得輕質(zhì)高效的電磁屏蔽復(fù)合材料（Mater Today Phys, 2021, 21: 100512；Sci Bull, 2020, 65: 616，圖1；J Mater Sci Technol, 2020, 52: 119--入選“領(lǐng)跑者5000-中國精品科技期刊頂尖學(xué)術(shù)論文”），且有效解決了生物質(zhì)材料電磁屏蔽效能低和氣凝膠結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題。

圖1 MXene氣凝膠/木頭衍生多孔碳（MXene aerogel/WC）復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及性能

  針對電磁屏蔽高分子復(fù)合材料密度大、力學(xué)性能較差以及功能單一的問題，通過分層設(shè)計再組裝策略，結(jié)合抽濾、刮涂、靜電紡絲和模壓制備了上層為GO/EG、中間層為Fe₃O₄/聚酰亞胺（PI）、下層為PI纖維的多層級多功能PI基復(fù)合薄膜（Nano-Micro Lett, 2022, 14: 26），其EMI SE、面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)（λ_∥）和拉伸強度分別為34.0 dB、95.40 W/(m·K)和93.6 MPa。采用刮涂法制備上下層為氮化硼/硅橡膠（BN/SR）、中間層為碳纖維@Fe₂O₃（CF@Fe₂O₃）的三明治結(jié)構(gòu)CF@Fe₂O₃/(BN/SR)復(fù)合材料（Compos Sci Technol, 2022, 219: 109253），其EMI SE、λ_∥和電擊穿強度分別為37.7 dB、3.86 W/(m·K)和26.8 kV/mm。借助“靜電紡絲-鋪層-熱壓”工藝制備了上下層為Fe₃O₄/聚乙烯醇（PVA）復(fù)合電紡纖維、中間層為Ti₃C₂T_x/PVA復(fù)合電紡纖維的三明治結(jié)構(gòu)電磁屏蔽復(fù)合膜（Small, 2021, 17: 2101951），其EMI SE、λ和拉伸強度分別為40 dB、2.86 W/(m·K)和27.7 MPa。采用“真空輔助抽濾-熱壓”法制備具有Janus結(jié)構(gòu)的(BNNS/ANF)-(AgNWs/ANF)導(dǎo)熱屏蔽復(fù)合膜（Nano Research, 2022, 10.1007/s12274-022-4159-z，圖2），其EMI SE、λ_∥和拉伸強度分別為70 dB、8.12 W/(m·K)和122.9 MPa。采用簡便高效的兩步真空輔助抽濾-熱壓法開發(fā)了電導(dǎo)率和EMI SE分別高達3725.6 S·cm^-1和80 dB（91 μm）的柔性高強雙層結(jié)構(gòu)電磁屏蔽復(fù)合薄膜。雙層結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜的拉伸強度達235.9 MPa，且表現(xiàn)出優(yōu)異的快速響應(yīng)焦耳電發(fā)熱性能，在2.5V低外施電壓下復(fù)合薄膜的發(fā)熱溫度可達110℃（ACS Nano, 2020, 14: 8368）。借助真空輔助抽濾與熱壓結(jié)合制備兼具優(yōu)異焦耳發(fā)熱性能（2.0 V低外施電壓下，Joule發(fā)熱溫度達99.5℃）、EMI SE高達101 dB（44.5 μm）及高導(dǎo)熱（10.55 W/(m·K)）的銀納米線/纖維素電磁屏蔽復(fù)合薄膜（ACS Appl Mater Interfaces, 2020, 12: 18023）。

圖2 Janus結(jié)構(gòu)(BNNS/ANF)-(AgNWs/ANF)導(dǎo)熱屏蔽復(fù)合膜的制備示意圖

  最近，SFPC課題組馬忠雷副教授和顧軍渭教授以天然皮革為基體，通過簡便高效的真空輔助抽濾工藝制備了兼具可視化焦耳發(fā)熱、電磁屏蔽和壓阻傳感功能的多功能層級結(jié)構(gòu)AgNW/皮革復(fù)合材料，在能量轉(zhuǎn)換、電子皮膚和人工智能等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。高導(dǎo)電AgNWs在真空輔助抽濾的作用下進入皮革肉面的多孔結(jié)構(gòu)中與膠原纖維束形成物理相互纏繞和氫鍵相互作用，并構(gòu)筑形成高效的3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。在2.5 g/m²的低AgNW面積密度下，AgNW/皮革復(fù)合材料在2.0 V低外施電壓下的焦耳發(fā)熱溫度達到108°C，EMI SE達到55 dB，方阻僅為0.8 Ω/sq，且在人體動作識別中表現(xiàn)出高靈敏的壓阻傳感能力（響應(yīng)時間小于50 ms）。AgNW/皮革復(fù)合材料還擁有優(yōu)異的耐熱性（熱降解溫度為300°C）、拉伸強度（16.7 MPa）、疏水性和工作穩(wěn)定性。

圖3 層級結(jié)構(gòu)AgNW/皮革復(fù)合材料的制備示意圖與表微觀形貌

圖4 層級結(jié)構(gòu)AgNW/皮革復(fù)合材料的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能

圖5 層級結(jié)構(gòu)AgNW/皮革復(fù)合材料的可視化焦耳發(fā)熱性能

圖6 層級結(jié)構(gòu)AgNW/皮革復(fù)合材料在使用環(huán)境中的焦耳發(fā)熱行為

圖7 層級結(jié)構(gòu)AgNW/皮革復(fù)合材料的電磁屏蔽性能與機理

圖8 層級結(jié)構(gòu)AgNW/皮革復(fù)合材料的壓阻傳感性能與機理

  本工作近期以“Multifunctional Wearable Silver Nanowire Decorated Leather Nanocomposites for Joule Heating, Electromagnetic Interference Shielding and Piezoresistive Sensing”為題發(fā)表于Angewandte Chemie International Edition（2022, 10.1002/anie.202200705）上。第一作者為西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院馬忠雷副教授，陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院向小蓮為共同第一作者，通訊作者為西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院顧軍渭教授。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（U21A2093和51903145）、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)計劃杰出青年基金項目（2019JC-11）、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目（D5000210627）、陜西省輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心開放基金項目（XTKF-2020-04）高分子電磁功能材料陜西省“三秦學(xué)者”創(chuàng)新團隊以及2021年度博士論文創(chuàng)新基金（CX2021107）的資助和支持。

  論文信息：Zhonglei Ma^#, Xiaolian Xiang^#, Liang Shao, Yali Zhang and Junwei Gu*. Multifunctional Wearable Silver Nanowire Decorated Leather Nanocomposites for Joule Heating, Electromagnetic Interference Shielding and Piezoresistive Sensing. Angewandte Chemie International Edition, 2022, 10.1002/anie.202200705.

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202200705

作者簡介

馬忠雷，陜西榆林人，西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院副教授，主要研究方向為功能（電磁屏蔽、吸波與吸聲）高分子復(fù)合材料與輕質(zhì)高性能發(fā)泡材料。獲2021年度中國復(fù)合材料學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎二等獎（3/8），入選英國皇家化學(xué)會2019 Top 1%高被引中國作者材料類榜單；獲第十三屆“挑戰(zhàn)杯”陜西省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎指導(dǎo)教師。主持國家自然科學(xué)基金（青年）、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃和陜西省教育廳專項計劃等基金項目6項。以第一作者和/或通訊作者在Angew Chem Int Edit, ACS Nano和Compos Sci Technol等期刊發(fā)表高水平SCI論文20余篇（1篇論文入選ESI熱點論文、4篇論文入選ESI高被引論文），授權(quán)和公開國家發(fā)明專利9件。參加國際、國內(nèi)學(xué)術(shù)會議15次（口頭報告11次）。參編Elsevier出版社專著第12章、Springer Nature出版社專著第9章。

顧軍渭，浙江上虞人，西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授、博導(dǎo)，陜西省杰出青年科學(xué)基金獲得者（2019~2021）。入選英國皇家化學(xué)會會士，英國皇家航空學(xué)會會士，英國材料、礦物與礦業(yè)學(xué)會會士；科睿唯安2021全球“高被引科學(xué)家”（材料科學(xué)）�，F(xiàn)任化學(xué)與化工學(xué)院副院長、陜西省高分子科學(xué)與技術(shù)重點實驗室副主任、西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究學(xué)會會長；任中國復(fù)合材料學(xué)會導(dǎo)熱復(fù)合材料專業(yè)委員會常務(wù)副主任、中國復(fù)合材料學(xué)會青年工作委員會副主任、中國化學(xué)會高級會員等。2002~2010在西北工業(yè)大學(xué)獲高分子材料與工程學(xué)士，材料學(xué)碩士、博士學(xué)位；2017年起在理學(xué)院、化學(xué)與化工學(xué)院擔任教授。主要從事功能高分子復(fù)合材料（導(dǎo)熱、電磁屏蔽）和纖維增強先進樹脂基透波復(fù)合材料的功能/結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計制備及加工研究。獲2021年度中國復(fù)合材料學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎二等獎（排名第一）、2020年度高等學(xué)校科學(xué)研究優(yōu)秀成果獎（科學(xué)技術(shù)）技術(shù)發(fā)明二等獎（排名第二），第四屆中國復(fù)合材料學(xué)會青年科學(xué)家獎、2021中國化學(xué)會高分子創(chuàng)新論文獎等。主持國家自然科學(xué)基金（4項，包括1項區(qū)域聯(lián)合基金重點項目），XXX技術(shù)基礎(chǔ)重點項目、XXX計劃技術(shù)領(lǐng)域基金項目、XXX配套項目等其他國家級項目3項，陜西省杰出青年科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項目（重點項目）和ZB科研計劃項目等省部級項目13項。以第一和/或通訊作者在Angew Chem Int Edit, Sci Bull, Compos Sci Technol和Macromolecules等期刊發(fā)表高水平SCI論文100余篇，SCI引用12000余次（H-index為68）。4論文入選2018~2020年“中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文” 、1篇論文入選“領(lǐng)跑者5000-中國精品科技期刊頂尖學(xué)術(shù)論文”、1篇論文入選2020年“材料領(lǐng)域10大高被引論文”。在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)會議上做邀請報告、口頭報告30余次；任第十一屆亞澳復(fù)合材料會議、第四屆中國國際復(fù)合材料科技大會和2019全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會等16個重要學(xué)術(shù)會議分會主席、副秘書長。授權(quán)、公開中國/美國發(fā)明專利50余件。任J Mater Sci Technol、Natl Sci Rev、Nano Res、Compos Sci Technol等期刊副主編、編輯或編委。主編Elsevier出版社專著1部、Wiley出版社專著1部、科學(xué)出版社教材1部，參編Elsevier出版社專著第12章、Wiley出版社專著第19章，參編高等學(xué)校規(guī)劃教材1本。