导读：本文报道了一种超薄、超坚固、超柔和热稳定性好的薄膜，具有类似金属的机械性能，即前所未有的拉伸强度（300.5 MPa），高杨氏模量（13.6 GPa）和出色的耐折性（> 10000次）。更重要的是，这种复合膜具有出色的电磁波屏蔽效果，可以消除> 99％的电磁波。在军事、航空航天领域的电子设备中的实际应用以及可穿戴设备应用有很大前景。

随着电子设备的普及和通信技术的飞速发展，电磁辐射被视为一个严重的问题，不仅危害设备的正常运行和使用寿命，而且对人体健康也有害。因此，电磁屏蔽材料的研究引起了广泛的关注。金属材料具有超高的坚固性和优异的导电性，是电磁干扰（EMI）屏蔽的传统选择，而其高密度，较差的柔韧性和差的抗腐蚀性能已经限制了其广泛使用，尤其是在恶劣的环境中。二维（2D）过渡金属碳化物/碳氮化物（即MXene）被认为是有前途的EMI屏蔽替代产品，具有轻量级特性，高电导率和优异的耐腐蚀性。然而，由于相邻的二维（2D）MXene纳米片之间较弱的平面内范德华相互作用，其宏观组装结构结合较弱，这也导致了薄膜的脆性，在某些极端环境下，这仍然是其潜在应用的瓶颈。通常，用于极端条件EMI屏蔽的理想保护材料应集成所有突出的多功能功能，包括高稳固性、良好的柔性性、耐温性和耐腐蚀性等，这仍然非常具有挑战性。

针对上述问题，来自四川大学和南京理工大学的研究人员通过将蠕虫状的芳族聚酰胺纳米纤维（ANF）设计成棒状的微观结构，然后与Ti3C2Tx自组装形成分层的实体结构，报道了一种超薄、超坚固、超柔和热稳定性好的薄膜。棒状ANF的刚性对称对称芳环完全伸直在骨架中很好地堆积成结晶形式，使杆状ANF能够增强网状结构并有效消散能量，从而产生类似金属的机械性能，即前所未有的拉伸强度（300.5 MPa），高杨氏模量（13.6 GPa）和出色的耐折性（> 10000次）。更重要的是，这种MXene/ANF复合膜具有出色的EMI屏蔽效果（8814.5 dB cm2 g –1），阻燃性可在？100°C（355 MPa）至300°C（136 MPa）的温度范围内执行广泛的操作，可以消除> 99％的电磁波；这保证了其在某些极端条件下的潜在EMI屏蔽应用。相关工作以“Metal-Level Robust, Folding Endurance, and Highly Temperature-Stable MXene-Based Film with Engineered Aramid Nanofiber for Extreme-Condition Electromagnetic Interference Shielding Applications”为题发表在著名期刊《ACS Appl. Mater.Interfaces》上。

论文链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c07387

图1显示了MXene/棒状ANF复合膜的典型制备过程。首先，通过在HCl和LiF的混合溶液中从MAX粉末中选择性刻蚀Al层，然后进行超声处理，来合成寡层MXene纳米片，TEM图像显示成功从MAX颗粒上剥离了横向尺寸大但具有几层构象的MXene纳米片。

图1. MXene/棒状ANF复合膜的制备过程示意图。（a）MXene纳米片的蚀刻和剥落，ANF从蠕虫状到刚性棒状构型的设计，以及真空过滤制备的MXene/ANF复合膜。（b）MAX颗粒的SEM图像，MXene纳米片的TEM图像以及MAX和MXene纳米片的XRD图。（c）蠕虫状ANF和刚性棒状ANF的SEM图像以及纯刚性棒状ANF膜和MXene/ANF复合膜的数码照片

图2. MXene/ANF复合膜的力学性能测试

随着MXene含量的增加，MXene/ANF样品的机械性能迅速下降。尤其是对于原始的MXene膜而言，较差的机械性能太弱而无法应用，由于相邻的MXene纳米片之间的范德华相互作用较弱，其拉伸强度仅为11.0±2.1 MPa，并且断裂断裂为1.1±0.2％。当MXene含量为40 wt％时，可以实现MXene/ANF复合膜的最佳机械性能，包括300.5±10.1 MPa的拉伸强度，13.6±1.3 GPa的杨氏模量，3.0±0.4％的应变断裂，韧性为5.3±0.7 MJ m–3。

MXene纳米片作为一种优良的导电填料，具有良好的导电性，并通过在基体内部沿基面方向形成有效的连续导电通路，在很大程度上提高了导电性。随着MXene/ANF复合膜中MXene含量的增加，复合膜的电导率无疑得到了提高。随着MXene含量的增加，更多的微波倾向于被屏蔽和吸收，并成功构建了导电网络，在8.2至12.4 GHz（X波段）的频率范围内也显示出出色的EMI屏蔽性能（24.5 dB）和不错的屏蔽效率（99.65％）。

图3.（a）MXene/ANF = 40:60复合膜的横截面SEM图像。（b）MXene/ANF = 40:60复合膜的同步和（c）不同步2D相关FTIR光谱。（d）纯棒状ANF膜，原始MXene膜和MXene/ANF = 40:60复合膜的XRD图。（e）MXene/ANF = 40:60复合膜的表面SEM图像和EDS图。（f）MXene/ANF = 40:60复合膜的缓慢拉伸过程后的典型断裂形态。（g）拉伸过程中MXene/ANF =40:60复合膜的示意图

图4 （a）具有不同含量的MXene纳米片的复合膜的电导率。（b）MXene纳米片含量不同的复合膜在整个X波段的EMI屏蔽性能。（c）具有不同MXene纳米片含量的复合膜在12.4 GHz频率下的SET，SEA，SER和SEA/SET值。（d）具有不同形态的一维ANF的MXene/ANF = 40:60复合膜的EMI屏蔽性能。（e）在整个X波段厚度不同的MXene/ANF =40:60复合膜的EMI屏蔽性能。（f）将SSE/t值作为厚度的函数与同类材料进行比较。（g）电磁波跨MXene/ANF = 40:60复合膜传输的示意图

总的来说，通过ANF的微观结构设计成功地制备了超薄、超柔韧性、金属级坚固且极其稳定的MXene/ANF复合膜。更重要的是，纳米复合膜具有广泛的工作温度范围（-100至300 °C），抗张强度范围为355至136 MPa，同时EMI屏蔽性能保持稳定。简而言之，这些优异的综合机械性能，出色的EMI屏蔽性能以及在广泛的工作温度范围内均具有出色的适应性，证明MXene/ANF复合膜在军事、航空航天领域的电子设备中的实际应用以及可穿戴设备应用有很大前景。