成果简介
在设计基于石墨烯气凝胶（GA）的聚合物电磁干扰（EMI）屏蔽材料时，创建有序、致密的结构和多个界面具有极其重要的意义。然而，在制备石墨烯气凝胶的过程中如何同时控制这些结构仍然是一项艰巨的挑战。为了解决这个问题，本文，空军军医大学Jiahe Liang 、西北工业大学郑亚萍教授等在“Multi-functional graphene aerogels/epoxy resin composites with Janus structure for enhanced electromagnetic interference shielding”的论文，研究采用了压缩-退火装配法来制造气凝胶，这种气凝胶呈现出一种Janus structure（ZxMyGAs），其中一个表面具有优异的导电性，而另一个表面则具有增强的磁性。
此外，气凝胶结构垂直于压缩方向变得致密有序。ZxMyGAs 具有优异的机械性能，抗压强度为3.12MPa，比应力为 78.9 kPa·cm3/mg.。将 ZxMyGAs 用作环氧树脂填料时，可提高复合材料（ZxMyGAs/EP）的导电性、导热性、电磁干扰屏蔽能力和光热转换效率。值得注意的是，ZxMyGAs/EP复合材料的导电率和导热率分别高达168.2 S-m-1 和 0.61 W-m-1-K-1。此外，Janus 结构所产生的独特的吸收-反射-再吸收电磁波损耗机制使 ZxMyGAs/EP复合材料的电磁干扰屏蔽性能显著提高至 75.8 dB。压缩-退火组装法有助于调节气凝胶的性能，为设计功能性电磁屏蔽材料提供了一种巧妙的方法，可满足多种应用需求。
图文导读
图1. ZxMyGAs和ZxMyGAs/EP复合材料的制备示意图。
图2. 应变为 0 %（a）、40 %（b）、60 %（c）和 80 %（d）的 FGA 的扫描电镜图像，FGA 的俯视扫描电镜图像（e），MGA（f）、ZGA（g）和 ZxMyGA（h）的扫描电镜图像，ZxMyGA 的 EDS（i），ZxMyGA 在 M 平面（j 和 j1）、Z 平面（k 和 k1）的 TEM 图像和相应的 EDS。
图3. ZxMyGAs 的 XRD 图（a）、拉曼光谱（b）和 XPS 光谱（c），Z2M2GAs 的 C 1s（d）、Co 2p （e）和 Ti 2p （f）高分辨率光谱，ZxMyGAs 的氮吸附-解吸等温线（g）、孔径分布（h）和磁化曲线（i）。
图4. 不同应变下 Z4M0GA（a）和 Z0M4GA（b）的应力-应变曲线，不同 ZxMyGAs 样品在 80% 应变下的应力-应变曲线（c），ZxMyGAs 作为能量吸收材料的光学照片（d），不同 ZxMyGAs 样品的永久变形和能量吸收系数（e），ZxMyGAs 与其他碳气凝胶的密度、强度和比强度的比较。
图5. 不同应变 FGAs/EP 复合材料的电导率（a）、ZxMyGAs/EP 复合材料的电导率（b）以及压缩过程中 FGAs 孔隙结构的有限元模拟（c）。
图6. 不同 FGA 应变的 FGA/EP 复合材料的电磁干扰性能（a），ZxMyGAs/EP 复合材料的电磁干扰性能（b），ZxMyGAs/EP 复合材料的 SET、SER 和 SEA（c），ZxMyGAs/EP 复合材料的 A、R 和 T 系数（d）、 不同入射波方向下 ZxMyGAs/EP 复合材料的电磁干扰性能（e）、ZxMyGAs/EP 复合材料的 SE/t 与三维导电网络复合材料的比较（f）、ZxMyGAs/EP 复合材料的电磁干扰屏蔽机理（g）。
图7. EP 和 ZxMyGAs/EP 在 1 个太阳光照下的温度-时间曲线（a）、ZxMyGAs/EP 在不同太阳光照下的温度-时间曲线（b）、EP 和 ZxMyGAs/EP 在 1 个太阳光照下 5 个周期的温度-时间曲线（c）、显示防冰性能的 EP 和 ZxMyGAs/EP 的红外热成像（d）和光学照片（d1）、 显示 EP 和 ZxMyGAs/EP 除冰性能的红外热照片（e）和光学照片（e1）、EP 和不同 ZxMyGAs/EP 复合材料的导热系数（f）以及 EP 和 ZxMyGAs/EP 复合材料在热阶段和冷阶段的温度-时间曲线（g）。
小结
综上所述，利用压缩-退火组装方法合成了具有杰纳斯结构的气凝胶（ZxMyGAs）。压缩-退火工艺不仅使ZxMyGAs致密有序，而且形成了许多坚固的连接点，从而将 Z0M4GAs的抗压强度显著提高到 3.12 兆帕。MXene 的加入大大提高了ZxMyGAs/EP复合材料的导电性，其中 Z0M4/EP 复合材料的导电性高达168.2 S-m-1。此外，Co/C 的加入为 ZxMyGAs/EP 复合材料带来了磁性，并缓解了阻抗失配问题。通过在 ZxMyGAs/EP 复合材料中采用吸收-反射-再吸收策略，Janus 结构引入了一种独特的电磁波损耗机制。这种方法显著提高了电磁干扰 SE，Z3M1GAs/EP 复合材料的电磁干扰 SE 达到了令人印象深刻的 75.8 dB。ZxMyGAs/EP 复合材料还具有出色的光热转换能力，可确保设备在极端环境下正常运行。此外，ZxMyGAs 复杂的三维网络有效地促进了热传导，使 ZxMyGAs/EP 复合材料的热导率比纯环氧树脂显著提高了三倍。因此，这项研究为设计和开发先进的 EMI 屏蔽材料提供了宝贵的启示，这种材料在电子和航空航天等各个领域都有广泛的应用。
文献：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157507
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