中国科学院深圳先进技术研究院–Ti3C2Tx MXene/石墨烯氢键界面聚烯烃复合材料的增强电磁屏蔽和导热性能

随着小型化器件的运行速度、传输效率和功率密度的迅速提高，半导体行业对电磁干扰(EMI)屏蔽和热管理材料的需求日益增加。因此，提高电子系统中常用的聚烯烃元件(如聚乙烯(PE))的电磁屏蔽性能和导热性能至关重要。目前，熔融复合是制备聚烯烃复合材料最常用的方法，但填料分散困难以及在填料/填料或填料/基体界面处的高电阻限制了其性能。在此，我们提出了一种折叠制备方法来制备PE复合材料，将一个排列良好、无缝的石墨烯框架与MXene纳米片预修饰的石墨烯结合到基体中。通过纳米界面工程，我们证明了复合材料的物理性能可以在相同填充填料的情况下得到进一步改善:石墨烯/MXene界面上氢键的形成以及无缝连接石墨烯框架的发展。在低填充量(3 wt %，含0.4 wt % MXene)的情况下，制备的PE复合材料的电磁屏蔽性能为61.0 dB，热导率为9.26 Wm^-1 k^-1。此外，基于我们的方法也可以生产出其他具有相同效果的热塑性复合材料。本研究为合理设计填料界面，制备用于微电子和微系统的高性能聚合物复合材料提供了思路。

图1. (a) MXene纳米片氢键修饰碳纳米管的制备工艺。(b) Ti₃C₂T_x MXene照片。(c) MXene纳米薄片的SEM， (d) AFM， (e) HR-TEM图像。(f)生长石墨烯前后的镍机织织物照片。(g)生长石墨烯的SEM， (h) TEM和(i) HR-TEM图像。(j) SEM图像，(k) C元素映射，(l) GWFs的放大图。(m) SEM图像，(n) C和Ti元素映射，(o) M-o-GWFs放大图。

图2(a)羟基化石墨烯与MXene官能团反应形成MXene与GWFs之间的氢键界面。(b) Raman， (c) FTIR， (d) XPS测量，高分辨率(e) C 1s和(f) Ti 2p XPS光谱。

图3.(a) M-o-GWF/PE复合材料的制备方法。(b)说明电磁干扰SE和热导率测量的首选方向的示意图。(c, d)复合材料照片和(e, f) SEM图像。(g) EMI SE和(h)各种样品对应的SER、SEA和SET。(i)纳米碳填充聚烯烃复合材料及其杂化材料之间的SSE/t / 1wt %填料的比较。(j)复合材料的EMI屏蔽机理，(k)计算M-o-GWFs和M-GWFs的电荷密度差。

图4. (a)试样的热扩散系数(α)和热导率(κ)。(b) M-o-GWF/PE和PE的热扩散率随环境温度的变化。(c)循环热冲击试验表明M-o-GWF /PE具有良好的稳定性。(d)测量设置，(e)红外(IR)图像，(f) M-o-GWF/PE和PE表面温度随加热时间的变化。(g) M-o-GWF/PE与其他填充了不同类型纳米填料结构的聚烯烃复合材料沿优选传热方向的比TCE比较。(i)基于4个模型在0.5 s (h)内的模拟比较。

图5(a)其他用折叠法制备的M-o-GWFs填充的热塑性复合材料的热导率和(b) EMI SE。(c)与其他热塑性复合材料相比，我们的样品的EMI SE和热导率之间有更好的平衡。(d) M-o-GWF/PE复合材料屏蔽电磁干扰性能的示意图和(e)照片，以阻止蓝牙设备之间的无线通信。(f)使用M-o-GWF/PE板作为散热片的大功率LED模块冷却测试平台的配置。(j) LED灯在不同输入功率下的表面温度变化，(k)饱和温度随输入功率密度的变化。(l)循环加热/冷却试验的热稳定性。

相关科研成果由中国科学院深圳先进技术研究院Yan-Jun Wan团队于2022年发表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01716)上。原文：Enhanced Electromagnetic Shielding and Thermal Conductive Properties of Polyolefin Composites with a Ti₃C₂T_x MXene/Graphene Framework Connected by a Hydrogen-Bonded Interface。