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 【引言】

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，無線通信和電子設(shè)備的使用已經(jīng)越來越普遍。然而，電子儀器產(chǎn)生的電磁輻射不僅影響其本身的正常功能和壽命，而且對人體健康具有潛在的危害。傳統(tǒng)電磁屏蔽材料多使用銅、鋁等金屬制造，高密度和大體積限制了其在可移動設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品及人體防護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，發(fā)展輕便、高韌性和可加工性強的電磁屏蔽材料與產(chǎn)品將具有重要的研究意義和實際應(yīng)用價值。二維（2D）材料MXene具有高比表面積和高電導(dǎo)率的特點，具有良好電磁屏蔽性能。但是，作為典型無機非金屬材料，純相的MXene在力學(xué)性能特別是柔韌性、斷裂拉伸等方面存在不足，單獨使用難以滿足當(dāng)前電子產(chǎn)品或個人防護(hù)對輕便型和柔韌性的需求。幸運的是，分層的Ti₃C₂T_x MXene（d-Ti₃C₂T_x）表面具有大量的活性端基，可通過氫鍵與聚合物相互作用，以此彌補MXene材料的機械性能的不足。作為最豐富的可再生天然聚合物，纖維素是地球上取之不盡用之不竭的高分子化合物。纖維素納米纖維（CNFs）具有一維（1D）納米結(jié)構(gòu)，高的機械強度和柔韌性，通常被用作復(fù)合材料的增強體。然而，目前并沒有關(guān)于d-Ti₃C₂T_x與CNF復(fù)合制備電磁屏蔽紙的相關(guān)報道。因此，制備具有增強力學(xué)性能和電磁屏蔽性能的d-Ti₃C₂T_x/CNF復(fù)合紙具有重要意義。

【成果簡介】

近日，北京林業(yè)大學(xué)馬明國教授課題組利用抽濾自組裝的工藝制備了具有貝殼層狀結(jié)構(gòu)的超薄和高柔韌性的d-Ti₃C₂T_x/CNFs復(fù)合紙。通過1D CNFs和2D d-Ti₃C₂T_x的相互作用，成功地實現(xiàn)了d -Ti₃C₂T_x/CNF復(fù)合紙的增強增韌，獲得了高拉伸強度（高達(dá)135.4 MPa）和斷裂應(yīng)變（高達(dá)16.7%），具有良好的耐折性能。此外，d-Ti₃C₂T_x/CNF復(fù)合紙在超薄厚度下具有高的導(dǎo)電性和優(yōu)異的電磁屏蔽效率。所得復(fù)合紙在12.4GHz處電磁屏蔽效率可達(dá)25.8dB，完全滿足商業(yè)屏蔽需求。優(yōu)異的力學(xué)性能和電磁屏蔽性能的完美結(jié)合，使得該1D/2D二元復(fù)合紙在柔性電子設(shè)備、武器裝備和機器人關(guān)節(jié)等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用潛力。新型復(fù)合電磁屏蔽紙不僅完全保留了傳統(tǒng)紙張的特性，拓展了紙張的新用途，而且使用的納米纖維素來源于農(nóng)業(yè)廢棄物蒜皮，實現(xiàn)了變廢為寶，有利于自然資源的保護(hù)。該項工作開辟了生物質(zhì)資源化、功能化、高值化以及循環(huán)利用新途徑。本研究為設(shè)計和制備集成多功能柔性MXene/CNFs復(fù)合紙?zhí)峁┝艘环N有效的策略，可應(yīng)用于柔性可穿戴設(shè)備、武器裝備和機器人關(guān)節(jié)等各個領(lǐng)域。相關(guān)研究成果以“Binary Strengthening and Toughening of MXene/Celluloses Nanofiber Composite Paper with Nacre-Inspired Structure and Superior Electromagnetic Interference Shielding Properties”為題發(fā)表在ACS Nano上，論文第一作者為北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院研究生曹文濤，上海硅酸鹽研究所朱英杰研究員、北京林業(yè)大學(xué)馬明國教授和同濟大學(xué)附屬十院骨科實驗室陳峰副研究員為本文的共同通訊作者。

【圖文解析】

圖1：Ti₃C₂T_x /CNF復(fù)合紙的制備工藝及表征

（a）用HCl和LiF刻蝕Ti₃AlC₂（MAX），得到多層Ti₃C₂T_x（m-Ti₃C₂T_x）沉積物。然后，在劇烈振動下，在去離子水中分散m-Ti₃C₂T_x沉積物，得到d-Ti₃C₂T_x納米片。然后，將含有CNFs的分散體加入到d-Ti₃C₂T_x分散體中。攪拌24小時后，將所得懸浮液過濾，形成d-Ti₃C₂T_x /CNFs復(fù)合紙；

（b）MAX、m-Ti₃C₂T_x和d-Ti₃C₂T_x的SEM；

（c）制備的純d-Ti₃C₂T_x紙、純CNFs紙和d-Ti₃C₂T_x /CNFs復(fù)合紙的光學(xué)照片；

圖2：具有貝殼層狀結(jié)構(gòu)的d-Ti₃C₂T_x /CNFs的示意圖、制備方法和不同比例的SEM圖

（a）貝殼層的結(jié)構(gòu)示意圖；

（b）制備具有層狀結(jié)構(gòu)的d-Ti₃C₂T_x /CNFs復(fù)合紙的示意圖；

（c）d-Ti₃C₂T_x /CNFs復(fù)合紙的SEM圖，具有致密的層狀結(jié)構(gòu)。

圖3：d-Ti₃C₂T_x /CNFs的相關(guān)表征

（a）純d-Ti₃C₂T_x、純CNFs和d-Ti₃C₂T_x /CNFs（50%）復(fù)合紙的FTIR光譜；

（b）純d-Ti₃C₂T_x紙和d-Ti₃C₂T_x /CNFs（50%）復(fù)合紙的XPS譜圖；

（c）不同d-Ti₃C₂T_x含量的d-Ti₃C₂T_x /CNFs復(fù)合紙的XRD譜圖；

圖4：d-Ti₃C₂T_x/CNF復(fù)合紙的力學(xué)性能

（a）d-Ti₃C₂T_x/CNFs復(fù)合紙的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

（b）d-Ti₃C₂T_x/CNFs復(fù)合紙的拉伸強度和斷裂應(yīng)變隨d-Ti₃C₂T_x含量的變化而變化；

（d）d-Ti₃C₂T_x/CNFs復(fù)合紙的韌性和楊氏模量隨d-Ti₃C₂T_x含量的變化而變化；

（e）d-Ti₃C₂T_x/CNFs復(fù)合紙在不同的d-Ti₃C₂T_x含量下的耐折次數(shù)；

圖5  d-Ti₃C₂T_x /CNFs復(fù)合紙斷裂面的SEM，斷裂機理及機械性能對比

（a，b）d-Ti₃C₂T_x /CNFs復(fù)合紙斷裂面的SEM圖；

（c）d-Ti₃C₂T_x /CNFs復(fù)合紙斷裂機理示意圖；

（d）通過折疊具有良好柔韌性的d-Ti₃C₂T_x /CNFs復(fù)合紙制備的小型船；

（e）d-Ti₃C₂T_x /CNFs復(fù)合紙與天然貝殼和其他電磁屏蔽材料拉伸強度和拉伸應(yīng)變的比較；

圖6  d-Ti₃C₂T_x /CNF復(fù)合紙的導(dǎo)電性及電磁屏蔽性能

（a）d-Ti₃C₂T_x/CNFs復(fù)合紙的電導(dǎo)率；

（b）d-Ti₃C₂T_x含量對d-Ti₃C₂T_x/CNFs復(fù)合紙在不同X射線波段的厚度的影響；

（d）不同的d-Ti₃C₂T_x含量的d-Ti₃C₂T_x/CNFs復(fù)合紙的總電磁屏蔽效能（SE_Total）、微波吸收（SE_A）和微波反射（SE_R）的比較；

【解讀】