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【博创基金微展示】第15期 王雷:MXene/环氧树脂电磁屏蔽纳米复合材料的可控制备及内禀机理
2022-09-20 14:40 王雷  审核人:   (点击: )

标题:MXene/环氧树脂电磁屏蔽纳米复合材料的可控制备及内禀机理

英文标题:Controllable Preparation and Inner Mechanism of MXene/Epoxy Electromagnetic Interference Shielding Nanocomposites

作者:王雷

指导教师:陈立新&顾军渭教授

培养院系:化学与化工学院

学科:化学

读博寄语:读博是一种人生的修行,这一路遍布荆棘,在攀登科学高峰的过程中,取得一定的科研成果固然重要,但更关键的是培养克服问题的能力,合理地规划,不断地根据课题进展而修正,完成从学生到学者的蜕变,学会做自己的导师。


主要研究内容


本基金依托于“特种功能与智能高分子材料工信部重点实验室”和“陕西省高分子科学与技术重点实验室”,以及国家自然科学基金等交叉课题,解决了常规聚合物基复合材料难以兼顾优异电磁屏蔽性能和力学性能的关键科学问题。以第一作者以及共同第一作者发表SCI论文5篇,授权发明专利1项。具体研究内容如下:

(一)中温热还原Ti3C2Tx/环氧树脂复合材料的设计制备

以环氧树脂为基体,“离子插层-辅助超声-中温热还原”技术制备的Ti3C2Tx为导电填料,经共混复合-浇注成型制备Ti3C2Tx/环氧树脂复合材料。当Ti3C2Tx质量分数为15 wt%时,中温热还原Ti3C2Tx/环氧树脂复合材料的电导率(σ)、屏蔽效能(EMI SE)、储能模量、杨氏模量和硬度分别为105.3 S/m、41 dB、5235.3 MPa、3.32 GPa和0.23 GPa,较未热还原Ti3C2Tx/环氧树脂复合材料的σ(38.1 S/m)和EMI SE(30 dB)分别提高176.4%和36.7%,但较未热还原Ti3C2Tx/环氧树脂复合材料的储能模量(5842.2 MPa)、杨氏模量(3.43 GPa)和硬度(0.26 GPa)分别降低10.4%、5.4%和14.8%。

图1 中温热还原Ti3C2Tx/环氧树脂复合材料的制备示意图

(二)TCF/环氧树脂复合材料的设计制备

将Ti3C2Tx、间苯二酚和甲醛溶液混合,借助“溶胶凝胶-冷冻干燥-热还原”制备Ti3C2Tx/碳杂化泡沫(TCF),进一步真空浸渍环氧树脂制备TCF/环氧树脂复合材料。当Ti3C2Tx质量分数为1.64 wt%时,TCF/环氧树脂复合材料的σ、EMI SE、储能模量、杨氏模量和硬度分别为184.3 S/m、46 dB、8918.6 MPa、3.96 GPa和0.31 GPa,较碳杂化泡沫/环氧树脂复合材料的σ(5.7 × 10-3S/m)、EMI SE(8 dB)、储能模量(5842.2 MPa)、杨氏模量(3.43 GPa)和硬度(0.26 GPa)分别提高3.1×106倍、480%、35.1%、12.8%和10.7%。

图2 TCF/环氧树脂复合材料的制备示意图

(三)DTCA/环氧树脂复合材料的设计制备

利用氢键作用将Ti3C2Tx与CNF复合,借助“定向冷冻-冷冻干燥-热还原”制备有序Ti3C2Tx/CNF气凝胶(DTCA),进一步真空浸渍环氧树脂制备DTCA/环氧树脂复合材料。当Ti3C2Tx质量分数为2.96 wt%时,DTCA/环氧树脂复合材料的σ、EMI SE、储能模量、杨氏模量和硬度分别为1314 S/m、64 dB、8848.7 MPa、4.10 GPa和0.31 GPa,较无序Ti3C2Tx/CNF气凝胶/环氧树脂复合材料的σ(1156 S/m)、EMI SE(59 dB)、储能模量(8358.8 MPa)、杨氏模量(3.96 GPa)和硬度(0.30 GPa)分别提高了13.7%、8.5%、5.9%、3.5%和3.3%。

图3 DTCA/环氧树脂复合材料的制备示意图

(四)BTCA/环氧树脂复合材料的设计制备

利用氢键作用将Ti3C2Tx与CNF复合,借助“双向冷冻-冷冻干燥-热还原”制备双向有序Ti3C2Tx/CNF气凝胶(BTCA),进一步真空浸渍环氧树脂制备BTCA/环氧树脂复合材料。当Ti3C2Tx质量分数为2.96 wt%时,BTCA/环氧树脂复合材料的EMI SE、储能模量、杨氏模量和硬度分别为71 dB、9137.3 MPa、4.23 GPa和0.33 GPa,较单向有序三维导电网络的DTCA/环氧树脂复合材料的EMI SE(64 dB)、储能模量(8848.7 MPa)、杨氏模量(4.10 GPa)和硬度(0.31 GPa)分别提高了10.9%、3.3%、3.2%和6.5%。

图4 BTCA/环氧树脂复合材料的制备示意图

(五)BTFCA/环氧树脂复合材料的设计制备

利用静电作用将Ti3C2Tx与Fe3O4组装后与CNF通过氢键作用复合,再借助“双向冷冻-冷冻干燥-热还原”制备双向有序Ti3C2Tx/Fe3O4/CNF气凝胶(BTFCA),进一步通过真空浸渍环氧树脂来制备BTFCA/环氧树脂复合材料。当Ti3C2Tx和Fe3O4质量分数分别为2.96 wt%和1.48 wt%时,BTCA/环氧树脂复合材料的EMI SE、储能模量、杨氏模量和硬度分别为79 dB、9902.1 MPa、4.51 GPa和0.34 GPa,较双向有序三维导电网络的BTCA/环氧树脂复合材料的EMI SE(71 dB)、储能模量(9137.3 MPa)、杨氏模量(4.23 GPa)和硬度(0.32 GPa)分别提高了11.3%、10.8%、6.9%和6.3%。

图5 BTFCA/环氧树脂复合材料的制备示意图



主要创新点


Ⅰ. 借助中温热还原法成功除去Ti3C2Tx表面的部分极性官能团,且未生成TiO2等副产物,降低了Ti3C2Tx/环氧树脂复合材料的导电逾渗值,有效提升了σ和EMI SE,为高性能环氧树脂复合材料的宏量制备和MXene的产业化提供了新策略。

Ⅱ. 基于结构/功能一体化设计,调控TCF、DTCA和BTCA的微结构由无序多孔结构向双向有序结构逐步递进,实现了Ti3C2Tx在环氧树脂基体内的多维度有序排布,同步实现了环氧树脂复合材料出色的机械性能和屏蔽性能。

Ⅲ. 从电磁一体化设计理念出发,将磁性Fe3O4与Ti3C2Tx组装为BTFCA,基于磁损耗在提升BTCA屏蔽性能的同时,降低了对电磁波的反射,减少对服役环境的二次污染,在未来节能环保型高性能屏蔽材料领域具有广阔的应用前景。


代表性创新成果


[1]Lei Wang, Zhonglei Ma, Yali Zhang, Hua Qiu*, Kunpeng Ruan and Junwei Gu*. Mechanically strong and folding-endurance Ti3C2TxMXene/PBO nanofibers films for efficient EMI shielding and thermal management*.Carbon Energy, 2022, 4: 200-210. 2021IF=21.556. (SCI: 000740762600001). ESI高被引论文.(中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊)

[2]Lei Wang, Zhonglei Ma, Yali Zhang, Lixin Chen*, Dapeng Cao and Junwei Gu*. Polymer-based EMI shielding composites with 3D conductive networks: A mini-review.SusMat, 2021, 1(3): 413-431.(中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊). SCI引用65次.

[3]Lei Wang, Ping Song, Cheng-Te Lin, Jie Kong and Junwei Gu*. 3D shapeable, superior electrically conductive cellulose nanofibers/Ti3C2TxMXene aerogels/epoxy nanocomposites for promising EMI shielding.Research, 2020, 2020: 4093732. (SCI: 000540725100001; EI: 20202808917343). 2021IF=11.036.(1区综合类Top期刊,2021中国最具国际影响力学术期刊,《Science》自1880年创建以来第一本合作期刊). ESI高被引论文. SCI引用82次.(对应论文第四章)

[4]Lei Wang, Xuetao Shi, Junliang Zhang, Yali Zhang and Junwei Gu*. Lightweight and robust rGO/sugarcane derived hybrid carbon foams with outstanding EMI shielding performance.Journal of Materials Science & Technology, 2020, 52: 119-126. (SCI: 000544218600010; EI: 20201808608816). 2021IF=10.319.(1区材料科学Top期刊,中国科技期刊卓越行动计划-重点类期刊项目,2021中国最具国际影响力学术期刊). ESI热点论文、ESI高被引论文. SCI引用155次. 入选“领跑者5000-中国精品科技期刊顶尖学术论文”.

[5] Fengqi Qi#,Lei Wang#, Yali Zhang, Zhonglei Ma*, Hua Qiu and Junwei Gu*. Robust Ti3C2TxMXene/starch derived carbon foam composites for superior EMI shielding and thermal insulation.Materials Today Physics, 2021, 21: 100512. (SCI: 000701925300009). 2021IF=11.021.(2区材料科学Top期刊). ESI热点论文、ESI高被引论文. SCI引用20次.

[6] 顾军渭,王雷, 宋萍, 张雅莉, 梁超博, 韩逸旋. 一种MXene气凝胶/环氧树脂电磁屏蔽纳米复合材料及其制备方法. 授权号: ZL 201910288846.2 (2020-05-01).

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