張艷, 馬忠雷, 李楨, 景佳瑤, 邵亮*

(1.陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西省輕化工助劑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021；2.西北工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西省高分子科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710129)

隨著5G 通訊和可穿戴電子設(shè)備等高集成化和高功率化的快速發(fā)展，由電磁波引起的電磁干擾和電磁污染問題日益嚴(yán)重，需采用高效電磁屏蔽復(fù)合材料衰減電磁波，以保障精密電子元器件的可靠運(yùn)行和保護(hù)人體健康[1-3]。近年來(lái)，電磁屏蔽材料逐漸朝著輕質(zhì)、高性能和環(huán)境友好等方向發(fā)展[4-5]。高分子基導(dǎo)電復(fù)合材料(CPCs)具有易成型加工和電磁屏蔽性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但存在導(dǎo)電填料用量高和電磁屏蔽效能(EMI SE)低等缺點(diǎn)[6-7]。因此，需要進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以在低填料用量下實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的高EMI SE。

將多孔結(jié)構(gòu)引入CPCs 中制備氣凝膠不僅能夠大幅降低材料密度，而且可以引入更多導(dǎo)電界面，從而增強(qiáng)電磁波吸收并提升電磁屏蔽效能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化和高電磁屏蔽性能[8-10]。Hu 等[11]以高強(qiáng)度芳綸納米纖維(ANFs)為增強(qiáng)材料，以碳納米管(CNTs)為導(dǎo)電填料，通過冷凍干燥法制得輕質(zhì)CNT/ANF 復(fù)合氣凝膠。所得復(fù)合氣凝膠的電導(dǎo)率達(dá)到230 S/m，X 波段(8.2～12.4 GHz) EMI SE 達(dá)到54.4 dB (厚度為568 μm)。Liu 等[12]以聚酰胺酸(PAA)為聚合物基體，以二維過渡金屬碳/氮化物Ti3C2TxMXene 片層為導(dǎo)電填料，通過冷凍干燥-熱酰亞胺法制得輕質(zhì)MXene/聚酰亞胺(PI)復(fù)合氣凝膠。所得復(fù)合氣凝膠的密度為8.9 mg/cm3，電導(dǎo)率為4.0 S/m，在9.59 GHz 處吸波性能為-45.4 dB，并且由于Ti3C2TxMXene 片層與PI 之間形成氫鍵相互作用而具有優(yōu)異的柔韌性和力學(xué)性能。

然而，以合成高分子為基體的聚合物基電磁屏蔽復(fù)合材料生物相容性較差且難以降解，易造成資源浪費(fèi)且不符合綠色可持續(xù)發(fā)展的理念[13-15]。生物質(zhì)高分子材料具有綠色、環(huán)境友好和可再生等特點(diǎn)，將其作為基體引入電磁屏蔽復(fù)合材料能夠有效緩解化石能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題[16-18]。其中，細(xì)菌纖維素(BC)是一種由微生物發(fā)酵生成的一維纖維素生物質(zhì)材料，具有高比表面積、優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的生物相容性和可降解等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前的研究熱點(diǎn)[19-21]。課題組前期采用原位共沉淀法將磁性Fe3O4納米粒子負(fù)載到BC表面制得BC@Fe3O4分散液，以一維銀納米線(AgNWs)為導(dǎo)電填料，采用兩步真空輔助抽濾法制得了磁性導(dǎo)電層級(jí)結(jié)構(gòu)BC@Fe3O4/AgNWs 復(fù)合薄膜。當(dāng)AgNWs 面積含量為1.8 g/m2時(shí)，制得復(fù)合薄膜的EMI SE 達(dá)到56 dB。AgNWs 與BC@Fe3O4之間良好的界面氫鍵相互作用使復(fù)合薄膜具有優(yōu)異的力學(xué)性能[22]。可見，BC 可作為柔性高強(qiáng)基體用于輕質(zhì)高強(qiáng)電磁屏蔽復(fù)合材料中。

本文通過液氮定向冷凍-冷凍干燥工藝制備輕質(zhì)高電磁屏蔽效能定向多孔結(jié)構(gòu)MXene/BC 復(fù)合氣凝膠。重點(diǎn)研究了復(fù)合氣凝膠的微觀形貌、導(dǎo)電性能、力學(xué)性能和電磁屏蔽性能。結(jié)果表明，所得定向多孔結(jié)構(gòu)MXene/BC 復(fù)合氣凝膠兼具輕質(zhì)、高強(qiáng)度和高電磁屏蔽效能。定向多孔結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑不僅降低了材料質(zhì)量密度，并且有利于增強(qiáng)電磁波在復(fù)合氣凝膠內(nèi)部的界面反射，從而大幅提升電磁屏蔽效能。此外，BC 和Ti3C2TxMXene之間存在豐富的氫鍵相互作用，賦予復(fù)合氣凝膠良好的力學(xué)性能。所得輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合氣凝膠在5G 通訊和可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域電磁屏蔽系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

Ti3AlC2(MAX)：純度>98%，萊州凱烯陶瓷材料有限公司；氟化鋰(LiF)，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；鹽酸(HCl 溶液)，分析純，廣東光華科技股份有限公司；細(xì)菌纖維素(BC)，濃度0.75wt%，桂林奇宏科技有限公司；去離子水為實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

Ti3C2TxMXene 分散液的制備：如圖1 所示，稱取1.6 g LiF 與20 mL 的9 mol/L 鹽酸加入聚四氟乙烯離心管中磁力攪拌10 min。攪拌條件下向離心管中緩慢加入1.0 g Ti3AlC2粉末，攪拌均勻后向離心管中通入少量氮?dú)獠⒂帽ｕr膜密封，于50℃下磁力攪拌48 h；用去離子水清洗反應(yīng)物，以3 500 r/min 轉(zhuǎn)速、5 min 為周期反復(fù)離心，直至上清液pH 接近7，得到多層Ti3C2Tx(m-Ti3C2Tx)分散液；通過手搖法使多層Ti3C2Tx剝離，再以3 500 r/min 離心1 h，收集上清液得到單片層二維Ti3C2TxMXene；將所得分散液濃縮得到濃度為4 mg/mL 的Ti3C2TxMXene 分散液，充入氮?dú)?，密封保存?/p>

定向多孔結(jié)構(gòu)MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的制備：將不同體積4 mg/mL 的Ti3C2TxMXene 分散液加入20 g 濃度為0.75wt%的BC 分散液中，磁力攪拌分散均勻；以10 000 r/min 的轉(zhuǎn)速離心30 min 濃縮混合體系；將所得混合體系轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯模具中，磁力攪拌使混合體系分散均勻，并將模具轉(zhuǎn)移至真空干燥箱(DZF6020，上海一恒科技有限公司)抽真空脫氣至無(wú)氣泡產(chǎn)生；將銅柱浸入液氮進(jìn)行預(yù)冷，將裝有MXene/BC 混合體系的聚四氟乙烯模具置于銅柱頂端進(jìn)行定向冷凍，再轉(zhuǎn)移至冷凍干燥機(jī)(ZX-LGJ-27A 型，浙江知信精密儀器設(shè)備有限公司)，冷凍干燥72 h 后得到MXene/BC 復(fù)合氣凝膠。復(fù)合氣凝膠中Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0wt%、10wt%、20wt%、30wt%和40wt%。

圖1 定向多孔結(jié)構(gòu)MXene/生物質(zhì)細(xì)菌纖維素(BC)復(fù)合氣凝膠的制備示意圖Fig.1 Schematic diagram for preparation of MXene/bacterial cellulose (BC) composite aerogels

1.3 結(jié)構(gòu)表征與性能分析

通過Tecnai G2 F20-TWIN FEI 型透射電子顯微鏡(TEM)觀察Ti3C2TxMXene 的微觀形貌；通過FEI Verios 460 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察MXene/BC 氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)；通過德國(guó)布魯克VECTOR-22 型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)表征材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)，采用KBr 壓片法，測(cè)試前將樣品置于120℃烘箱烘干；通過德國(guó)布魯克SMARTAPEIIX型X-射線衍射儀(XRD)表征材料的晶體結(jié)構(gòu)；采用日本島津Axis Supra X 射線光電子能譜(XPS)對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行分析表征；采用上海勱準(zhǔn)儀器科技有限公司MZ-A105 材料拉力機(jī)進(jìn)行復(fù)合氣凝膠的加載-卸載壓縮實(shí)驗(yàn)，試樣高度為15 mm，直徑為34 mm，最大壓縮應(yīng)變?yōu)?0%，壓縮速率為3 mm/min；采用蘇州晶格電子有限公司ST2258 C四探針電子測(cè)試儀對(duì)冷凍干燥復(fù)合氣凝膠垂直于定向孔方向的電導(dǎo)率進(jìn)行采點(diǎn)測(cè)試，取不同位置多次測(cè)量記錄平均值；采用德國(guó)羅德與施瓦茨公司ZVR4 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)復(fù)合氣凝膠的電磁屏蔽性能進(jìn)行波導(dǎo)法測(cè)試，電磁波由氣凝膠底部入射，測(cè)試范圍為8.2～12.4 GHz，試樣尺寸為22.86 mm×10.16 mm×4.00 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ti3C2TxMXene 的微觀形貌

圖2 是Ti3AlC2和Ti3C2TxMXene 的SEM 圖 像及Ti3C2TxMXene 的TEM 圖像。通過LiF/HCl 溶液可以刻蝕掉緊密堆積的Ti3AlC2中的Al 層得到多層Ti3C2Tx，進(jìn)一步通過手搖使其剝離得到Ti3C2TxMXene 二維納米片層。其邊緣出現(xiàn)褶皺狀表明Ti3C2TxMXene 納米片層具有良好的柔性。由圖2(c)中的插圖可以看出，Ti3C2TxMXene 分散液呈現(xiàn)均勻的墨綠色，并且激光在分散液中形成光束通路，說明分散液中具有顯著的丁達(dá)爾效應(yīng)。這是由于Ti3C2TxMXene 二維片層在刻蝕制備過程中引入了豐富的親水基團(tuán)如-OH、-F 和-O 等，使其在去離子水中具有良好的分散性。圖2(d)為Ti3AlC2和Ti3C2TxMXene 的XRD 圖譜?？梢钥闯?，Ti3AlC2中Al 層的特征峰(2θ=39.4°)消失，且(002)峰從9.5°移至6.3°處，表明層間距增大，成功制得Ti3C2TxMXene 二維片層。

2.2 MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的形貌分析

圖3 是MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的數(shù)碼照片和SEM 圖像。可以發(fā)現(xiàn)，通過液氮定向冷凍-冷凍干燥工藝成功制備得到外觀規(guī)整的多孔結(jié)構(gòu)MXene/BC 復(fù)合氣凝膠。純BC 氣凝膠外觀呈現(xiàn)白色，引入Ti3C2TxMXene 后復(fù)合氣凝膠外觀顏色變?yōu)楹谏译S著MXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大顏色逐漸加深。純BC 氣凝膠呈現(xiàn)較松散的泡孔結(jié)構(gòu)，泡孔尺寸較大且呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則形狀。隨著Ti3C2TxMXene質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，復(fù)合氣凝膠的泡孔結(jié)構(gòu)更加致密均一，泡孔尺寸逐漸減小。這是由于純BC 的基體強(qiáng)度較弱，因此形成的泡孔結(jié)構(gòu)尺寸較大且形狀不規(guī)則。將Ti3C2TxMXene 引入BC 后使基體強(qiáng)度增大，并且引入了更多界面，有利于異相成核形成更多的泡孔結(jié)構(gòu)，泡孔結(jié)構(gòu)更加規(guī)整均一且泡孔尺寸減小。二維Ti3C2TxMXene 片層與一維BC 之間形成氫鍵作用并相互連接，構(gòu)建形成更堅(jiān)固的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由圖4 可以看出，MXene/BC復(fù)合氣凝膠呈現(xiàn)定向多孔結(jié)構(gòu)。這是由于定向冷凍時(shí)液氮與室溫間形成巨大的溫差，使冰晶沿底部向頂部迅速成核生長(zhǎng)，Ti3C2TxMXene 與BC 被誘導(dǎo)沿著冰晶生長(zhǎng)方向形成各向異性的定向多孔結(jié)構(gòu)。

圖3 定向多孔結(jié)構(gòu) MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的數(shù)碼照片((a)～(e))和相應(yīng)不同放大倍數(shù)下的SEM 圖像((a')～(e''))Fig.3 Digital photos ((a)～(e)) and corresponding SEM images ((a')～(e'')) of MXene/BC composite aerogels with directional porous structures

圖4 Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30wt%時(shí)MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的頂視(a)和側(cè)視(b) SEM 圖像Fig.4 Top view (a) and side view (b) SEM images of MXene/BC composite aerogels with the Ti3C2TxMXene mass fraction of 30wt%

2.3 MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖5(a)是BC、Ti3C2TxMXene 和MXene/BC復(fù)合氣凝膠的XRD 圖譜。BC 屬于纖維素I 型結(jié)構(gòu)，在14.6°、16.7°和22.8°處出現(xiàn)的3 個(gè)衍射峰分別對(duì)應(yīng)(10)、(110)和(200)晶 面。Ti3C2TxMXene 在6.3°處的衍射峰對(duì)應(yīng)(002)晶面，MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的XRD 圖譜中仍保留了Ti3C2TxMXene 的特征衍射峰，但(002)峰從6.3°移至5.9°，主要?dú)w因于BC 穿插在Ti3C2TxMXene 片層之間使其層間距增大。圖5(b)是BC、Ti3C2TxMXene 和MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的XPS 寬掃譜圖?？梢钥闯?，Ti3C2TxMXene 中存在Ti2p、O1s 和F1s 等特征吸收峰，化學(xué)刻蝕和剝離過程在Ti3C2TxMXene 表面和邊緣引入豐富的極性基團(tuán)如-F、-O 和-OH等。將Ti3C2TxMXene 引入BC 后，復(fù)合氣凝膠中也出現(xiàn)Ti2p 和F1s 等特征峰，表明MXene/BC復(fù)合氣凝膠的成功構(gòu)筑。

圖5 BC、Ti3C2TxMXene 和MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的XRD 圖譜(a)、XPS 圖譜(b)和FTIR 圖譜(c)Fig.5 XRD patterns (a), XPS spectra (b) and FTIR spectra (c) of BC,Ti3C2TxMXene and MXene/BC composite aerogels

圖5(c)是BC、Ti3C2TxMXene 和MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的FTIR 圖譜。對(duì)于BC，1 057 cm-1處為C-O-C 吡喃糖環(huán)骨架振動(dòng)峰，2 891 cm-1處為纖維素特有的CH2、CH3振動(dòng)吸收峰，3 420 cm-1處為-OH 的特征吸收峰。對(duì)于Ti3C2TxMXene，3 433 cm-1處為-OH 的振動(dòng)吸收峰，1 623 cm-1和557 cm-1處分別為C=O 的吸收振動(dòng)峰和Ti-O 特征峰。在MXene/BC 復(fù)合氣凝膠中，BC 中-OH 的吸收振動(dòng)峰由3 420 cm-1紅移至3 418 cm-1處，Ti3C2TxMXene 中C=O 的吸收振動(dòng)峰由1 623 cm-1紅移至1 620 cm-1，表明-OH 和C=O 的化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化。這是由于BC 上的-OH 可作為質(zhì)子供體，Ti3C2TxMXene 的C=O可作為質(zhì)子受體，BC 與Ti3C2TxMXene 之間形成氫鍵作用，有利于提高復(fù)合氣凝膠的力學(xué)性能。

2.4 MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的密度和力學(xué)性能

圖6 為不同Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)MXene/BC復(fù)合氣凝膠的質(zhì)量密度。可以看出，純BC 氣凝膠和MXene/BC 復(fù)合氣凝膠均表現(xiàn)出極低的質(zhì)量密度。純BC 氣凝膠的質(zhì)量密度為10.91 mg/cm3，隨著Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大復(fù)合氣凝膠的質(zhì)量密度逐漸增大。當(dāng)Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40wt%時(shí)，復(fù)合氣凝膠的質(zhì)量密度為18.29 mg/cm3，仍表現(xiàn)出輕質(zhì)特征。

圖6 不同Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的質(zhì)量密度Fig.6 Mass densities of the MXene/BC composite aerogels with different Ti3C2TxMXene mass fractions

圖7(a)為不同Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的壓縮加載-卸載過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，最大應(yīng)變?yōu)?0%。與純BC 氣凝膠相比，MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的壓縮強(qiáng)度顯著提升。

圖7 (a)不同Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b)承載500 g 砝碼的MXene/BC 復(fù)合氣凝膠數(shù)碼照片F(xiàn)ig.7 (a) Compression stress-strain curves of MXene/BC composite aerogels with different Ti3C2TxMXene mass fractions; (b) Digital photos of MXene/BC composite aerogels loaded with 500 g

這是由于Ti3C2TxMXene 的引入對(duì)BC 氣凝膠具有增強(qiáng)作用，并且Ti3C2TxMXene 與BC 之間豐富的氫鍵作用使MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固，從而提升復(fù)合氣凝膠的力學(xué)性能。隨著Ti3C2TxMXene 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，MXene/BC復(fù)合氣凝膠的30%應(yīng)變下壓縮應(yīng)力也逐漸增大。當(dāng)Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30wt%時(shí)，其30%應(yīng)變下壓縮應(yīng)力最高達(dá)到41.6 kPa。但當(dāng)Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40wt%時(shí)，復(fù)合氣凝膠的30%應(yīng)變下壓縮應(yīng)力略微有所降低，可能是由于隨著Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，MXene/BC 分散液的流動(dòng)性降低，導(dǎo)致Ti3C2TxMXene 片層在BC 纖維間發(fā)生堆疊，但其應(yīng)力仍可達(dá)到38.3 kPa，較純BC 氣凝膠提升了116.1%。圖7(b)為Ti3C2TxMXene質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30wt%時(shí)復(fù)合氣凝膠承載砝碼的照片。可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合氣凝膠在承載500 g 砝碼時(shí)仍然能夠保持不變形，表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。

2.5 MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的導(dǎo)電性能

圖8(a)為不同Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的電導(dǎo)率。純BC 氣凝膠為絕緣材料，不具有導(dǎo)電能力。隨著Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，復(fù)合氣凝膠的電導(dǎo)率逐漸提高。這是由于Ti3C2TxMXene 在復(fù)合氣凝膠中相互連接形成導(dǎo)電通路。并且隨著Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，復(fù)合氣凝膠的泡孔結(jié)構(gòu)更加致密均一，形成更加完善的導(dǎo)電通路，因此電導(dǎo)率大幅提升。當(dāng)Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40wt%時(shí)，復(fù)合氣凝膠的電導(dǎo)率達(dá)到459.3 S/cm。圖8(b)為Ti3C2TxMXene質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40wt%時(shí)MXene/BC 復(fù)合氣凝膠集成電路點(diǎn)亮LED 燈的數(shù)碼照片。可以看出，LED 燈能夠容易地被點(diǎn)亮，表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性能。

圖8 (a)不同Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的電導(dǎo)率；(b) MXene/BC 復(fù)合氣凝膠集成電路點(diǎn)亮LED 燈的數(shù)碼照片F(xiàn)ig.8 (a) Electrical conductivities of MXene/BC composite aerogels with different Ti3C2TxMXene mass fractions; (b) Digital photo of MXene/BC composite aerogel integrated circuits illuminating LED

2.6 MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的電磁屏蔽性能

圖9(a)為不同Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的X 波段電磁屏蔽性能，復(fù)合氣凝膠的厚度為4 mm。當(dāng)Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10wt%時(shí)，MXene/BC 氣凝膠的EMI SE 約為22 dB。隨著Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，復(fù)合氣凝膠的EMI SE 逐漸增大。當(dāng)Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40wt%時(shí)，復(fù)合氣凝膠的EMI SE 達(dá)到72 dB。這是由于，一方面Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，使定向多孔結(jié)構(gòu)復(fù)合氣凝膠內(nèi)部形成更高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而增強(qiáng)電磁波電導(dǎo)損耗；另一方面，Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，復(fù)合氣凝膠的泡孔結(jié)構(gòu)更加致密均一形成更多界面，能夠增強(qiáng)電磁波在復(fù)合氣凝膠內(nèi)部的多重界面發(fā)射，從而提升對(duì)電磁波的吸收和總EMI SE。圖9(b)為不同Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)MXene/BC 復(fù)合氣凝膠中反射損耗(SER)、吸收損耗(SEA)對(duì)總電磁屏蔽效能(SET)的貢獻(xiàn)?？梢钥闯?，定向多孔結(jié)構(gòu)MXene/BC復(fù)合氣凝膠的吸收損耗遠(yuǎn)高于反射損耗，隨著Ti3C2TxMXene質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，SER、SEA和SET均有著不同程度的增加，但SER始終小于5 dB，表明MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的電磁屏蔽機(jī)制以吸收損耗為主導(dǎo)。

圖9 不同Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)MXene/BC 復(fù)合氣凝膠電磁屏蔽效能(EMI SE) (a)和反射損耗(SER)、吸收損耗(SEA)和總電磁屏蔽效能(SET)(b)；(c)單位厚度比屏蔽效能(SSE/t)；(d)電磁屏蔽效率；(e)試樣厚度對(duì)30wt%Ti3C2TxMXene 復(fù)合氣凝膠EMI SE 的影響；(f)電磁屏蔽機(jī)制Fig.9 Electromagnetic interference shielding effectiveness (EMI SE) (a) and SE reflection (SER), SE absorption (SEA), SE total (SET) (b) of MXene/BC composite aerogels with different Ti3C2TxMXene mass fractions; (c) Specific shielding effectiveness per unit thickness (SSE/t); (d) Electromagnetic shielding efficiency; (e) Effects of thickness on the EMI SE of composite aerogels with 30wt%Ti3C2TxMXene; (f) Electromagnetic shielding mechanism

在航天航空、人工智能和可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域，不僅要求電磁屏蔽材料具有高電磁屏蔽性能和力學(xué)性能，厚度和質(zhì)量也是衡量的標(biāo)準(zhǔn)之一[23-25]。通過計(jì)算絕對(duì)電磁屏蔽效能(SSE/t)可消除厚度和密度對(duì)電磁屏蔽材料性能的影響。由圖9(c)可見，MXene/BC 氣凝膠的SSE/t 高達(dá)10 053.2 dB·cm2·g-1，對(duì)強(qiáng)量化電磁屏蔽材料的 開發(fā)具有重要意義。圖9(d)為MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的電磁屏蔽效率。可以發(fā)現(xiàn)，電磁屏蔽效率隨著Ti3C2TxMXene 增大而增加，當(dāng)Ti3C2TxMXene質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10wt%時(shí)，電磁屏蔽效率為99.95%，當(dāng)Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40wt%時(shí)，電磁屏蔽效率達(dá)到99.999999%，意味超過99.999999%的電磁波被阻擋。此外，可以通過調(diào)控MXene/BC復(fù)合氣凝膠的厚度調(diào)節(jié)電磁屏蔽性能。如圖9(e)所示，對(duì)于Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30wt%的MXene/BC 復(fù)合氣凝膠，當(dāng)厚度為2.8 mm 時(shí)，EMI SE 為38 dB，可以滿足商業(yè)化應(yīng)用需求(≥20 dB)；當(dāng)厚度增大到4.0 mm時(shí)，EMI SE 達(dá)到60 dB，可以滿足軍事領(lǐng)域的高電磁屏蔽性能需求(≥60 dB)[26]。

圖9(f)為MXene/BC 復(fù)合氣凝膠的電磁屏蔽機(jī)制示意圖。當(dāng)入射電磁波到達(dá)復(fù)合氣凝膠表面時(shí)，由于阻抗不匹配性使部分電磁波被直接反射，剩余的電磁波進(jìn)入復(fù)合氣凝膠內(nèi)部。首先，高導(dǎo)電Ti3C2TxMXene 表面的大量載流子與電磁波相互作用產(chǎn)生歐姆損耗使電磁波被轉(zhuǎn)化為熱能而衰減。其次，MXene/BC 復(fù)合氣凝膠定向多孔結(jié)構(gòu)為電磁波的耗散提供了更多的導(dǎo)電界面，使進(jìn)入復(fù)合氣凝膠內(nèi)部的電磁波發(fā)生多重界面反射而衰減。此外，Ti3C2TxMXene 表面豐富的極性基團(tuán)使電子云分布狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致電磁波發(fā)生極化弛豫，進(jìn)一步促進(jìn)電磁波的衰減。因此，MXene/BC 復(fù)合氣凝膠內(nèi)部獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)和高效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)賦予其優(yōu)異的電磁屏蔽性能。

3 結(jié) 論

(1) 以生物質(zhì)細(xì)菌纖維素(BC)為基體，二維導(dǎo)電Ti3C2TxMXene 為功能填料，通過液氮定向冷凍-冷凍干法制備輕質(zhì)高強(qiáng)定向多孔結(jié)構(gòu)MXene/BC復(fù)合氣凝膠。

(2) BC 和Ti3C2TxMXene 之間存在豐富的氫鍵相互作用，使MXene/BC 復(fù)合氣凝膠具有輕質(zhì)和高強(qiáng)特征。當(dāng)Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40wt%時(shí)，復(fù)合氣凝膠的密度僅為18.29 mg/cm3，30%應(yīng)變下壓縮強(qiáng)度達(dá)到38.3 kPa，較純BC 氣凝膠提升了116.1%。

(3) 所制備MXene/BC 復(fù)合氣凝膠具有良好的導(dǎo)電性能和電磁屏蔽性能。當(dāng)Ti3C2TxMXene 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40wt%時(shí)，復(fù)合氣凝膠的電導(dǎo)率達(dá)到459.3 S/cm，電磁屏蔽效能(EMI SE)達(dá)到72 dB (厚度為4 mm)。所得輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合氣凝膠在5G 通訊和可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域電磁屏蔽系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。