【儀表網 研發快訊】近日，山東大學材料科學與工程學院王桂龍教授團隊通過一種剪切誘導原位成纖與真空輔助過濾相結合的工藝，成功制備出了具有Janus結構的多功能柔性FCFe/M復合膜。該復合膜不僅展現出卓越的電磁屏蔽效能，而且具備優異的熱管理能力和機械柔性，為下一代柔性可穿戴電子器件在電磁兼容和智能溫控方面提供了材料解決方案。相關研究成果以“Multifunctional Janus-Structured Polytetrafluoroethylene-Carbon Nanotube-Fe3O4/MXene Membranes for Enhanced EMI Shielding and Thermal Management”發表于國際期刊Nano?Micro Letters (中科院一區，IF: 31.6)。材料學院博士研究生邵潤澤為論文第一作者，王桂龍教授為唯一通訊作者，山東大學為第一完成單位和通訊單位。
圖1. FCFe/M薄膜的制備工藝示意圖
PTFE因其優異的機械強度、柔韌性和化學穩定性，一直被視為輕質電磁屏蔽器件的理想基體材料。然而，鑒于PTFE強大的耐溶劑性和高熔融粘度，如何在其表面和內部引入高含量的電磁功能填料，從而制備具有良好電磁屏蔽性能同時堅固優異的機械強度和高孔隙率的PTFE基復合材料仍是一項重大的挑戰。為此，研究團隊采用一種原創的剪切誘導原位纖維化工藝，成功地將兩種高含量填料引入PTFE基材中，從而制成了PTFE-CNT-Fe3O4(FCFe)電磁波吸收層。在加工過程中，剪切力促使PTFE纖維化，與CNT纖維交織形成堅固的蠶絲狀納米纖維網絡，從而牢固捕獲Fe?O?納米粒子，顯著提升了復合薄膜的磁損耗能力。同時，薄膜內部的納米纖維網絡不僅可以通過多次反射和散射延長了膜內電磁波的傳輸路徑，還可以在內部形成偽平行板微電容器，從而增強了電磁波的吸收效果。
圖2. FCFe/M膜的電磁屏蔽機理及屏蔽性能的可視化模擬
隨后，團隊采用簡便的真空輔助過濾工藝，將高電導率的二維MXene材料負載至FCFe薄膜的一側，成功制備出具有雙面異性結構的FCFe/M復合膜。得益于合理的組分分配和精心設計的Janus結構，該復合膜通過“吸收—反射—重吸收”機制，實現了高效的電磁波屏蔽和優異的抗反射性能。在僅84.9 µm的厚度下，該復合膜在X波段的最大EMI屏蔽效能高達44.56 dB，其比屏蔽效能更是突破了10,421.3 dB·cm2·g-1，遠超傳統屏蔽材料。
此外，憑借材料固有特性和Janus結構所賦予的各向異性，FCFe/M薄膜還表現出出色的機械性能、自熄性、疏水性、耐腐蝕性以及個性化的熱管理能力。在電壓和光照刺激下，集成加熱功能的復合膜表面溫度分別可迅速升至140.4°C和145.7°C，顯示出快速、穩定和高效的加熱及熱耗散效果。該項研究以創新型Janus結構設計為核心，為開發具有強大屏蔽與有效抗反射性能的EMI屏蔽材料提供了切實可行的解決方案。憑借其卓越的柔韌性、疏水性、阻燃性、可靠性和熱管理性能，FCFe/M復合膜有望在航空航天、軍事、人工智能、智能加熱設備以及下一代柔性可穿戴技術等領域發揮重要作用。
王桂龍教授團隊長期致力于聚四氟乙烯微孔材料的功能化研究，通過探索PTFE微孔功能材料在高效過濾、安全防護、柔性電子和電磁屏蔽等領域的廣泛應用，成功解決了長期困擾行業的關鍵技術難題，填補了PTFE功能微孔材料研究的空白。相關研究成果發表于Adv Funct Mater (2024, 2416428)、Small(2024, 2308992)、Nano Res (2024, 17, 1942-1951)等期刊。
以上研究工作得到國家高層次人才計劃項目、國家自然科學基金、山東省自然科學基金以及濟南市“高校20條”自主培養創新團隊項目等的支持。
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