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文档简介

超强MXene薄膜!

——超高的力学和电学性能以及低的红外发射率行业背景MXene具有高的力学和电学性能以及低的红外发射率,可以制成柔性电磁屏蔽和热伪装膜材料。传统观点认为,大尺寸MXene是组装高性能薄膜的最佳材料。然而,薄膜中含有大量MXene的空隙,降低了它们的性能。虽然传统的交联策略可以减少空隙,但MXene薄片之间的电子传输通常会被绝缘聚合物粘合剂破坏,造成电导率降低。发表近日,北京航空航天大学程群峰教授课题组采用一种有序致密化策略,协同消除MXene薄片之间的空隙,同时加强层间电子传输。首先插入小的MXene薄片以填补多层大薄片之间的空隙,然后通过钙离子和硼酸盐离子的界面桥接来消除剩余的空隙,包括单层薄片之间的空隙。得到的MXene薄膜(SDM)结构紧凑,具有较高的抗拉强度(739MPa)、杨氏模量(72.4GPa)、电导率(10336Scm-1)和电磁屏蔽能力(71801dBcm2g-1),以及优异的抗氧化性能和热伪装性能。该方法为其他二维薄片的高性能组装提供了一种途径。相关工作以“UltrastrongMXenefilmsviathesynergyofintercalatingsmallflakesandinterfacialbridging”为题发表在《NatureCommunications》上。相关工作WORKING【制备与表征】首先将大薄片溶胶与小薄片溶胶混合,然后将得到的混合物刮涂成插层诱导的致密化MXene(IDM)薄膜。随后,将IDM薄膜依次浸入氯化钙和四硼酸钠溶液中,然后用去离子水冲洗。最后,通过真空热退火得到大面积的SDM薄膜。SDM薄膜被聚焦离子束(FIB)切割的截面SEM图像显示出其结构致密,孔隙率为4.11±0.32%。利用FIB和SEM断层扫描重建了SDM薄膜的三维空隙微观结构。广角X射线散射(WAXS)结果表明SDM薄膜的取向度为0.839±0.004。SDM薄膜的结构表征和力学性能【插层诱导致密化】与大薄片构成的MXene(LM)薄膜相比,小薄片构成的MXene(SM)薄膜的定向性较差,但结构更为致密。将小的MXene薄片插入到大的MXene层间,破坏了大薄片的定向堆积,增大了层间距,但有效地填补了多层薄片之间的空隙,使薄膜致密化。与LM和SM薄膜相比,优化后的IDM薄膜结构排列适中、致密,抗拉强度和电导率分别为409±26MPa和10865±203Scm-1,是LM膜(185±6MPa和9822±133Scm-1)的2.2倍和1.1倍。此外,2.8μm厚的IDM薄膜(60.8±0.6dB)比2.7μm厚的LM薄膜(58.1±0.8dB)在0.3~18GHz之间具有更高的电磁屏蔽效能。插层诱导致密化策略可用于进一步提高以前报道的由大薄片组装的MXene复合膜的性能。LM、SM和IDM薄膜的结构和性能比较【搭接剪切测试】不同MXene薄膜的剪切强度下降趋势如下:SM>IDM>LM薄膜。这与孔隙度一致,由于空洞和缺陷削弱了层间的结合。分层的LM薄膜前后两侧显示出较大的褶皱,这些褶皱在拓扑上是互补的,表明多层片间的空隙导致层间载荷传递较弱。相比之下,SM膜的分层表面呈现出磨玻璃状结构,有大量接近拉出的小薄片,表明层间载荷转移强烈,这是由于致密的薄片堆积造成的。IDM薄膜呈现出磨玻璃状和褶皱的中间形态,这是由于小薄片的插入填补了多层大薄片之间的空隙,以改善层间载荷传递。LM,SM和IDM薄膜的搭接剪切测试【SDM薄膜的性能】由于小薄片插层和界面桥接的协同致密作用,SDM薄膜具有最高的抗拉强度(739±32MPa)、杨氏模量(72.4±8.1GPa)和韧性(8.76±0.52MJm-3),分别是BDM薄膜的1.6倍、2.4倍和1.5倍,是IDM薄膜的1.8倍、5.3倍和2.1倍,是LM薄膜的4.0倍、7.6倍和3.7倍。此外,SDM薄膜(10,336±103Scm-1)的导电性高于LM薄膜(9822±133Scm-1)。此外,SDM薄膜在潮湿空气中存放10天后,电磁屏蔽能力仅下降4.34%,低于LM薄膜的16.2%。储存在潮湿空气中的SDM薄膜的中红外发射率远低于LM薄膜,表明SDM薄膜具有更稳定的热伪装性能。与LM薄膜相比,在潮湿空气中储存后,覆盖在同一基底上的SDM薄膜的表面辐射温度增加较少。LM和SDM薄膜的性能“”总之,该研究报道了一种致密化策略,通过有序插入小薄片和界面桥接,协同消除MXene薄片之间的空隙,加强层间相互作用,而不中断层间电子传输。得到的MXene薄膜结

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