来源 |ACSNano

原文 |https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01716

01引言
随着半导体器件朝着高集成度、高功率密度以及高传输速度的快速发展，“电磁污染”和“热点”问题被认为是对系统稳定性和可靠性产生负面影响的关键，这对设备外围部件的电磁干扰屏蔽性能和导热性能提出了更高的要求。聚烯烃如聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）具有多功能性、轻量化和化学惰性等优点，被广泛应用于电子工业，但是其电磁屏蔽效能（EMI SE）< 1 dB 且具有较低的热导率（0.2 – 0.5 Wm^-1K^-1），为了同时提高这两种性能，人们通过添加纳米填料来制备聚烯烃复合材料。和传统聚合物在固化前具有低粘度态（如环氧树脂）或者可以在常规条件下溶解在溶剂中（如聚乙酸乙烯酯）不同，聚烯烃在常温条件下很难溶解在普通溶剂中并且熔融时仍呈现出高粘度的状态。因此，熔融共混成为了制备聚烯烃复合材料的一种较为流行的方法，而溶液共混或浸渗工艺则不可行，这给提高聚烯烃复合材料的物理性能带来了技术挑战。

02成果简介

近日，中科院宁波材料所林正得研究员、代文博士、中科院深圳先进技术研究院万艳君副研究员（共同通讯作者）等人将化学气相沉积（CVD）制备的石墨烯编织网（GWFs）进行羟基化处理，然后喷涂Ti₃C₂T_xMXene纳米片，两者的界面间以氢键连接，得到 M-o-GWFs，转移到PE薄膜后采用折纸工艺将 M-o-GWF/PE 薄膜折叠并热压得到复合材料。

基于无缝石墨烯的高度取向排列结构以及 MXene 和石墨烯界面间的氢键相互作用，M-o-GWFs/PE 复合材料表现出良好的电磁干扰屏蔽性能（≈ 61.0 dB）和优异的导热性能（9.26 Wm^-1K^-1），单位质量的 SSE/t（≈ 11,742 dBcm²g^-1）远优于其他碳纳米材料/聚烯烃复合材料，同时，单位质量的热导率增加百分比（≈ 719%）在纳米填料/聚烯烃复合材料中创下了纪录。另外，该方法具有通用性，可以用于改善其他热塑性聚合物的性能。

上述成果以题为“Enhanced Electromagnetic Shielding and Thermal Conductive Properties of Polyolefin Composites with aTi₃C₂T_xMXene-Graphene Framework Connected by a Hydrogen-Bonded Interface”发表在ACS Nano上，中科院宁波材料技术与工程研究所是论文单位。

03图文导读

图1 M-o-GWFs的制备及表征

（a）MXene纳米片通过氢键修饰GWFs的制备过程；（b）MXene分散液的照片；MXene纳米片的（c）SEM，（d）AFM和（

e）HR-TEM图像；（f）镍网生长石墨烯前后的照片；石墨烯的（g）SEM，（h）TEM和（i）HR-TEM图像；GWFs的（j）SEM，（k）C元素分布和（l）放大的SEM图像；M-o-GWFs的（m）SEM，（n）C和Ti的元素分布以及（o）放大的SEM图像。

图2 M-o-GWFs的光谱分析

（a）MXene 和羟基化石墨烯界面间形成氢键的示意图；各样品的（b）Raman，（c）FTIR，（d）XPS 谱图以及（e）C 1s和（f）Ti 2p 的精细谱。

图3 M-o-GWF/PE复合材料的制备、结构及电磁屏蔽性能

（a）M-o-GWF/PE 的制备过程；（b）电磁屏蔽和导热测试的优选方向示意图；M-o-GWF/PE 复合材料的（c，d）照片和（e，f）断面形貌图；各样品的（g）EMI SE 和（h）相应的SE_R, SE_A和

SE_T；（i）聚烯烃复合材料的单位质量分数的 SSE/t 的对比；（j）M-o-GWF/PE 复合材料的电磁屏蔽机理；（k）M-o-GWFs 和 M-GWFs 的差分电荷密度。

图4 M-o-GWF/PE复合材料的导热性能

（a）样品的热扩散系数和热导率；M-o-GWF/PE 和 PE 的（b）热扩散系数与温度的关系以及（c）循环热稳定性；（d）红外热像测试装置示意图；M-o-GWF/PE 和 PE 表面温度随加热时间的变化：（e）红外热像图；（f）温升曲线。（g）M-o-GWF/PE 优选方向的 specific TCE 与其他聚烯烃纳米复合材料的对比；（h）聚烯烃纳米复合材料中不同类型的填料结构；（i）四种填料结构的传

热模拟结果对比。

图5 普适性及M-o-GWF/PE复合材料的实际电磁屏蔽和导热性能

M-o-GWF/热塑性聚合物复合材料的（a）热导率和（b）EMI SE；（c）热塑性聚合物复合材料的SSE/t per 1 wt% of filler 和 specific TCE 的比较；M-o-GWF/PE 复合材料的电磁屏蔽性能的（d）示意图和（e）照片；LED 模块的（f）实物照片和（g）爆炸图；以 M-o-GWF/PE 为散热板冷却 LED 灯的（h）示意图和（i）实物图；（j）不同输入功率下 LED 灯表面温度的变化和（k）对应的稳

态温度与功率密度的关系；（l）M-o-GWF/PE 良好的冷热循环稳定性。

04
小结
本研究针对难以在聚烯烃中构建三维连续导电导热网络的问题，提出了一种折纸工艺并成功地在 PE 基体中构建了Ti₃C₂T_xMXene 通过氢键预改性的取向排列的无缝石墨烯网络结构。制备的 M-o-GWF/PE 复合材料在低填充含量（≈ 3.0 wt%）下表现出优异的导热性能（9.26 Wm^-1K^-1）和良好的电磁干扰屏蔽性能（≈ 60.2 dB）。采用 CVD 法制备的无缝石墨烯骨架克服了传统石墨烯纳米片组装的填料网络相邻纳米片间界面阻力高的缺点，并且 MXene 和石墨烯在界面之间以氢键连接而不是简单的弱范德华相互作用，同时我们证明了在相同的填料含量下，纳米填料间界面的优化设计是提高复合材料物理性能的有效策略。值得注意的是，该方法具有通用性，可以用于改善其他热塑性聚合物的性能，在有效抑制电磁干扰和有效冷却电子器件等方面有良好的应用前景。

文献链接

Enhanced Electromagnetic Shielding and Thermal Conductive Properties of Polyolefin Composites with aTi₃C₂T_xMXene/Graphene Framework Connected by a Hydrogen-Bonded Interface, ACS Nano, 2022.https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01716