华南理工大学《ACS Nano》：导电AgNW/石墨烯的超强纳米纸，用于国防、智能电子和人类健康等

成果简介

高强度、轻质、超薄、柔韧且具有高屏蔽效能（SE）的电磁干扰（EMI）屏蔽材料对现代集成电子产品至关重要。本文，华南理工大学曾劲松、Pengfei Li等研究人员在《ACS Nano》期刊发表名为“Ultrastrong Nanopapers with Aramid Nanofibers and Silver Nanowires Reinforced by Cellulose Nanofibril-Assisted Dispersed Graphene Nanoplates for Superior Electromagnetic Interference Shielding”的论文，研究提出采用纤维素纳米纤维（CNFs）分别将石墨烯纳米板（GNPs）均匀分散到芳纶纳米纤维（ANF）网络和银纳米线（AgNW）网络中，制备出高性能纳米纸。

这些纳米纸具有仿珍珠微结构和层状结构，厚度仅为 24.58 μm，却表现出很高的抗拉强度（601.11 MPa）和良好的韧性（103.56 MJ m-3）。它们的比抗拉强度达到 447.59 MPa-g-1-cm3，是钛合金（257 MPa-g-1-cm3）的 1.74 倍。AgNW/GNP 复合导电层的导电率为 12010.00 S cm-1，为纳米纸提供了出色的 EMI 屏蔽性能，EMI SE 为 63.87 dB，EMI SE/t 为 25978.80 dB cm-1。纳米纸还具有可靠的耐久性，在经过 120,000 次折叠循环后，抗拉强度仍保持在 500.96 兆帕，EMI SE 为 57.59 分贝。此外，它们还具有良好的电加热性能、快速响应时间、低驱动电压、有效的除冰能力和可靠的水中加热能力。这项工作提出了一种开发高性能纳米纸的策略，在电磁兼容性、国防、智能电子和人类健康等领域显示出巨大的应用潜力

图文导读

图1：（a、b）制备（a）CNF 辅助分散 GNPs 和（b）ANFs 的示意图。(c) ACG9 复合材料的扫描电子显微镜（SEM）图像。(d) ACG9 悬浮液的流变特性以及 ANFs 与 CG9 之间的相互作用。(e) ACG9&Ag 纳米纸的制造过程示意图。(f) ACG9 纳米纸的特性：(f1) 傅立叶变换红外光谱（FTIR）、(f2) N1s XPS 光谱、(f3) C 1s XPS 光谱和 (f4) XRD 光谱。(g) ACG9&Ag 纳米纸的模型以及 CG9、ANFs 和 AgNWs 之间的相互作用。

图2：（a、b）纯 ANF、ACG9-6 和 ACG9&Ag-10 纳米纸的机械性能。(c) ACG9&Ag-10 纳米纸具有高强度和高韧性，解决了两者之间的权衡问题。(d) 比较不同 ANF 复合材料的 δc 和 Uc 的 Ashby 图。(e) ACG9&G/Ag-10 纳米纸与高性能金属合金的比抗拉强度比较；插图显示了一片 ACG9&Ag-10 纳米纸在保持导电性的情况下折叠成的小船。(f) ACG9-6 纳米纸断裂位置的扫描电镜图像。(g) ACG9-6 纳米纸裂缝的扫描电镜图像（红色箭头表示应力方向）：(g1）偏转的裂缝，（g2）由大量 ANF 紧密粘附的 GNP，（g3）高度排列的 ANF。(h) ACG9&Ag-10 纳米纸断裂位置的 SEM 图像。

图3：（a、b）纯 ANF 和 ACG9-6 混合体系的模型。(c) 通过分子动力学模拟获得的纯 ANF 和 ACG9-6 复合材料的应力-应变曲线。(d) ACG9-6 纳米纸的拉伸过程示意图。

图4：(a) ACG9&Ag 纳米纸中 AgNW/CG9 层和 ACG9-6 层的电阻和 δc 与质量比的函数关系。(b) 比较不同导电复合材料的导电率和δc 的阿什比图。(c) ACG9&Ag 纳米纸在反复弯曲下的电阻变化。(d) ACG9&Ag 纳米纸的电磁干扰 SE。(e) ACG9&Ag 纳米纸的微波反射（SER）、微波吸收（SEA）和总 EMI 屏蔽效果（SET）。(f) ACG9&Ag 纳米纸的 EMI SE/t 和 SSE/t。(g，h) ACG9&Ag-10 纳米纸在(g)不同折叠周期和(h)拉伸至不同应变后的 EMI SE。(i) ACG9&Ag-10 纳米纸在不同条件下的 EMI SE：紫外线辐射（365 纳米，80 瓦，3 天）、热处理（120 °C，3 天）、湿热（95% 相对湿度，65 °C，3 天）、酸性浸泡（pH 值为 2，3 天）和碱性浸泡（pH 值为 12，3 天）。

图5. (a) ACG9&Ag 纳米纸的电磁干扰屏蔽机理示意图。(b, c) 比较不同 EMI 屏蔽材料的 EMI SE/t、δc、SSE/t 和厚度的 Ashby 图。(d) ACG9-6 和 ACG&Ag-10 纳米纸的高频结构模拟器（HFSS）模拟。(e、f）实验结果与模拟结果的比较。

图6. (a, b) ACG9&Ag-10 纳米纸在不同电压条件下的温度。(b) 实验数据显示了纳米纸表面温度与 U2 之间的线性关系；插图显示了一条 5 毫米宽的 ACG9&Ag 纳米纸在承受 6.16 千克重量的同时仍能保持电加热能力。(c) ACG9&Ag-10 纳米纸对突变电压的温度响应。(d) ACG9&Ag-10 在 0 至 1.4 V 电压之间转换时的温度曲线。(e) ACG9&Ag-10 纳米纸在 1.4 V 电压下 6000 秒和 5 个施加和撤除电压周期的温度-时间曲线；插图说明了 ACG9&Ag-10 纳米纸在 1.4 V 电压下反复弯曲时的红外热成像。(f) ACG9&Ag 纳米纸的最高加热温度、响应时间和拉伸强度与最近报道的电加热材料的比较。(g) ACG9&Ag-10 纳米纸（1.5 × 5.0 cm2）用于 2.5 × 2.5 × 2.0 cm3 冰块的除冰，施加电压仅为 2 V。

小结

综上所述，通过使用 ANFs、CNF辅助分散 GNPs 和 AgNWs 构建分层结构和仿珍珠微结构，开发出了具有良好电热性能的高强度、耐用、柔韧和轻质 EMI 屏蔽纳米纸。在绝缘层中，CG9改善了ANF框架内的应力分布，并加强了 ANF 之间的界面结合，从而获得了很强的机械强度。在导电层中，AgNWs 提供了高效的电子传输路径，而CG9则改善了应力分布和结构稳定性，从而实现了高导电性和良好的可变形性。最终制成的 ACG9&Ag-10 纳米纸具有三明治结构，δc为601.11MPa，Uc 为 103.56 MJ m-3，导电率为 1176.98 S cm-1。AgNW/CG9层中的高效电子传输路径及其精心设计的微观结构赋予了 ACG9&Ag-10 纳米纸极佳的EMI屏蔽性能，包括 63.87 dB 的 EMI SE、25978.80 dB cm-1 的EMI SE/t和19349.18 dB cm2 g-1 的 SSE/t。即使在经过 120,000 次折叠循环后，纳米纸的 δc 仍保持在 500.96 MPa，EMI SE 为 57.59 dB。

此外，ACG9&Ag-10纳米纸还具有良好的电加热性能，包括 107.43 °C的高加热温度、快速的加热时间（<8 秒）、可靠的加热稳定性、有效的除冰能力以及可靠的水中加热能力。这些优异的综合性能使ACG9&Ag-10 纳米纸在极地设备、航空航天、军事和下一代可穿戴电子设备等各种应用中大有可为。

文献:https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09462