標(biāo)題：MXene/環(huán)氧樹脂電磁屏蔽納米復(fù)合材料的可控制備及內(nèi)稟機(jī)理
英文標(biāo)題：Controllable Preparation and Inner Mechanism of MXene/Epoxy Electromagnetic Interference Shielding Nanocomposites
作者：王雷
指導(dǎo)教師：陳立新&顧軍渭教授
培養(yǎng)院系：化學(xué)與化工學(xué)院
學(xué)科：化學(xué)
讀博寄語：讀博是一種人生的修行，這一路遍布荊棘，在攀登科學(xué)高峰的過程中，取得一定的科研成果固然重要，但更關(guān)鍵的是培養(yǎng)克服問題的能力，合理地規(guī)劃，不斷地根據(jù)課題進(jìn)展而修正，完成從學(xué)生到學(xué)者的蛻變，學(xué)會(huì)做自己的導(dǎo)師。
主要研究?jī)?nèi)容
本基金依托于“特種功能與智能高分子材料工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”和“陜西省高分子科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，以及國(guó)家自然科學(xué)基金等交叉課題，解決了常規(guī)聚合物基復(fù)合材料難以兼顧優(yōu)異電磁屏蔽性能和力學(xué)性能的關(guān)鍵科學(xué)問題。以第一作者以及共同第一作者發(fā)表SCI論文5篇，授權(quán)發(fā)明專利1項(xiàng)。具體研究?jī)?nèi)容如下：
（一）中溫?zé)徇€原Ti3C2Tx/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的設(shè)計(jì)制備
以環(huán)氧樹脂為基體，“離子插層-輔助超聲-中溫?zé)徇€原”技術(shù)制備的Ti3C2Tx為導(dǎo)電填料，經(jīng)共混復(fù)合-澆注成型制備Ti3C2Tx/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。當(dāng)Ti3C2Tx質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15 wt%時(shí)，中溫?zé)徇€原Ti3C2Tx/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電導(dǎo)率（σ）、屏蔽效能（EMI SE）、儲(chǔ)能模量、楊氏模量和硬度分別為105.3 S/m、41 dB、5235.3 MPa、3.32 GPa和0.23 GPa，較未熱還原Ti3C2Tx/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的σ（38.1 S/m）和EMI SE（30 dB）分別提高176.4%和36.7%，但較未熱還原Ti3C2Tx/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量（5842.2 MPa）、楊氏模量（3.43 GPa）和硬度（0.26 GPa）分別降低10.4%、5.4%和14.8%。
圖1 中溫?zé)徇€原Ti3C2Tx/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備示意圖
（二）TCF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的設(shè)計(jì)制備
將Ti3C2Tx、間苯二酚和甲醛溶液混合，借助“溶膠凝膠-冷凍干燥-熱還原”制備Ti3C2Tx/碳雜化泡沫（TCF），進(jìn)一步真空浸漬環(huán)氧樹脂制備TCF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。當(dāng)Ti3C2Tx質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.64 wt%時(shí)，TCF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的σ、EMI SE、儲(chǔ)能模量、楊氏模量和硬度分別為184.3 S/m、46 dB、8918.6 MPa、3.96 GPa和0.31 GPa，較碳雜化泡沫/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的σ（5.7 × 10-3S/m）、EMI SE（8 dB）、儲(chǔ)能模量（5842.2 MPa）、楊氏模量（3.43 GPa）和硬度（0.26 GPa）分別提高3.1×106倍、480%、35.1%、12.8%和10.7%。
圖2 TCF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備示意圖
（三）DTCA/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的設(shè)計(jì)制備
利用氫鍵作用將Ti3C2Tx與CNF復(fù)合，借助“定向冷凍-冷凍干燥-熱還原”制備有序Ti3C2Tx/CNF氣凝膠（DTCA），進(jìn)一步真空浸漬環(huán)氧樹脂制備DTCA/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。當(dāng)Ti3C2Tx質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.96 wt%時(shí)，DTCA/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的σ、EMI SE、儲(chǔ)能模量、楊氏模量和硬度分別為1314 S/m、64 dB、8848.7 MPa、4.10 GPa和0.31 GPa，較無序Ti3C2Tx/CNF氣凝膠/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的σ（1156 S/m）、EMI SE（59 dB）、儲(chǔ)能模量（8358.8 MPa）、楊氏模量（3.96 GPa）和硬度（0.30 GPa）分別提高了13.7%、8.5%、5.9%、3.5%和3.3%。
圖3 DTCA/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備示意圖
（四）BTCA/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的設(shè)計(jì)制備
利用氫鍵作用將Ti3C2Tx與CNF復(fù)合，借助“雙向冷凍-冷凍干燥-熱還原”制備雙向有序Ti3C2Tx/CNF氣凝膠（BTCA），進(jìn)一步真空浸漬環(huán)氧樹脂制備BTCA/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。當(dāng)Ti3C2Tx質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.96 wt%時(shí)，BTCA/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的EMI SE、儲(chǔ)能模量、楊氏模量和硬度分別為71 dB、9137.3 MPa、4.23 GPa和0.33 GPa，較單向有序三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的DTCA/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的EMI SE（64 dB）、儲(chǔ)能模量（8848.7 MPa）、楊氏模量（4.10 GPa）和硬度（0.31 GPa）分別提高了10.9%、3.3%、3.2%和6.5%。
圖4 BTCA/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備示意圖
（五）BTFCA/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的設(shè)計(jì)制備
利用靜電作用將Ti3C2Tx與Fe3O4組裝后與CNF通過氫鍵作用復(fù)合，再借助“雙向冷凍-冷凍干燥-熱還原”制備雙向有序Ti3C2Tx/Fe3O4/CNF氣凝膠（BTFCA），進(jìn)一步通過真空浸漬環(huán)氧樹脂來制備BTFCA/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。當(dāng)Ti3C2Tx和Fe3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.96 wt%和1.48 wt%時(shí)，BTCA/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的EMI SE、儲(chǔ)能模量、楊氏模量和硬度分別為79 dB、9902.1 MPa、4.51 GPa和0.34 GPa，較雙向有序三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的BTCA/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的EMI SE（71 dB）、儲(chǔ)能模量（9137.3 MPa）、楊氏模量（4.23 GPa）和硬度（0.32 GPa）分別提高了11.3%、10.8%、6.9%和6.3%。
圖5 BTFCA/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備示意圖
主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
Ⅰ. 借助中溫?zé)徇€原法成功除去Ti3C2Tx表面的部分極性官能團(tuán)，且未生成TiO2等副產(chǎn)物，降低了Ti3C2Tx/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的導(dǎo)電逾滲值，有效提升了σ和EMI SE，為高性能環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的宏量制備和MXene的產(chǎn)業(yè)化提供了新策略。
Ⅱ. 基于結(jié)構(gòu)/功能一體化設(shè)計(jì)，調(diào)控TCF、DTCA和BTCA的微結(jié)構(gòu)由無序多孔結(jié)構(gòu)向雙向有序結(jié)構(gòu)逐步遞進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了Ti3C2Tx在環(huán)氧樹脂基體內(nèi)的多維度有序排布，同步實(shí)現(xiàn)了環(huán)氧樹脂復(fù)合材料出色的機(jī)械性能和屏蔽性能。
Ⅲ. 從電磁一體化設(shè)計(jì)理念出發(fā)，將磁性Fe3O4與Ti3C2Tx組裝為BTFCA，基于磁損耗在提升BTCA屏蔽性能的同時(shí)，降低了對(duì)電磁波的反射，減少對(duì)服役環(huán)境的二次污染，在未來節(jié)能環(huán)保型高性能屏蔽材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
代表性創(chuàng)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高被引論文.（中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)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.（中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)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區(qū)綜合類Top期刊，2021中國(guó)最具國(guó)際影響力學(xué)術(shù)期刊，《Science》自1880年創(chuàng)建以來第一本合作期刊）. ESI高被引論文. SCI引用82次.（對(duì)應(yīng)論文第四章）
[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區(qū)材料科學(xué)Top期刊，中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃-重點(diǎn)類期刊項(xiàng)目，2021中國(guó)最具國(guó)際影響力學(xué)術(shù)期刊）. ESI熱點(diǎn)論文、ESI高被引論文. SCI引用155次. 入選“領(lǐng)跑者5000-中國(guó)精品科技期刊頂尖學(xué)術(shù)論文”.
[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區(qū)材料科學(xué)Top期刊）. ESI熱點(diǎn)論文、ESI高被引論文. SCI引用20次.
[6] 顧軍渭,王雷, 宋萍, 張雅莉, 梁超博, 韓逸旋. 一種MXene氣凝膠/環(huán)氧樹脂電磁屏蔽納米復(fù)合材料及其制備方法. 授權(quán)號(hào): ZL 201910288846.2 (2020-05-01).
