MXene及MXene改性以及在電磁屏蔽性能上的應(yīng)用

唐婷婷　趙燕

關(guān)鍵詞：電磁屏蔽材料;電磁屏蔽原理;二維層狀材料;MXene;改性方法

隨著科技的發(fā)展，電子設(shè)備的廣泛使用使周圍的環(huán)境中充斥著電磁輻射，不僅會影響設(shè)備的正常使用，還會對人們的身體健康造成危害。因此，研發(fā)高性能的電磁屏蔽材料具有重要意義。

1 電磁屏蔽原理

電磁屏蔽材料的屏蔽機(jī)理如圖1所示，當(dāng)電磁波與屏蔽層相互作用時(shí)，由于屏蔽層與空氣層之間的阻抗不匹配，一部分入射功率（PI）在材料正反兩面都會反射（PR）。由于衰減或傳輸（PT），剩余的功率被吸收或傳輸并作為屏蔽層內(nèi)的熱能消散[1]。屏蔽層對入射電磁波的保護(hù)作用被定義為電磁干擾屏蔽效能（EMI SE），Schelkunoff理論[2]指出，電磁屏蔽效能是反射、吸收和多次反射的衰減之和，如下式所示：

SE_T（dB）=SE_R+SE_A+SE_M

1.1 反射損耗（SE_R）

反射是由具有不同阻抗或折射率的兩種傳播介質(zhì)（例如空氣和屏蔽層）之間的界面或表面引起的，是主要的電磁屏蔽機(jī)制。對于高導(dǎo)電屏蔽層，從屏蔽層表面到背面的反射損耗大，SE_R隨著電導(dǎo)率的增大而增大，說明屏蔽材料的電導(dǎo)率必須較高才能實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的反射損耗。但電導(dǎo)率并不是影響反射損耗的唯一因素，屏蔽層的滲透率和電磁波的頻率也起作用。

1.2 吸收損耗（SE_A）

電磁波在有損介質(zhì)（即屏蔽材料）中傳播時(shí)被吸收，良好的吸收損耗需要高導(dǎo)電性的歐姆損耗，增大互動(dòng)的高電子密度和入射電磁波，較大的介電常數(shù)和介電損耗以及磁滯損耗和渦流損耗有關(guān)的磁導(dǎo)率對導(dǎo)電屏蔽層、材料的厚度和電導(dǎo)率對吸收的影響較大，而決定吸收損耗大小的是介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。

1.3 多重反射（SE_M）

在一個(gè)薄膜狀的屏蔽材料中，由于多次反射，來自后表面的反射影響最后的傳輸，因?yàn)榉瓷涞妮椛湓谇氨砻嬖俅畏瓷洌俪闪说诙蝹鬏?。上述過程可以重復(fù)，直到波的能量完全耗散，當(dāng)SE_T>10 dB時(shí)，忽略不計(jì)。

2 二維層狀材料MXene簡介

2004年成功剝離石墨烯材料后，多種二維材料在實(shí)驗(yàn)中被成功制備出來，MXene作為二維過渡金屬碳/氮化物，憑借優(yōu)異的物理和電化學(xué)性質(zhì)引起了廣泛關(guān)注，是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。MXene一般是由具有密實(shí)層狀結(jié)構(gòu)的MAX相材料制備的，首次成功制備二維MXene相納米材料是在2011年，Naguib等[3]在室溫條件下，利用HF選擇性蝕刻Ti₃AlC₂中的Al原子層，制備出手風(fēng)琴狀的Ti₃C₂，經(jīng)剝離后的MXene具有和石墨烯類似的層狀結(jié)構(gòu)，是極具研究價(jià)值和潛力的二維材料。化學(xué)通式為M_n+1X_nT_x（n=1、2和3），其中，M代表過渡金屬（如Ti、V、Mo和Zr等），X代表C或者N，Tx代表表面基團(tuán)，如—OH、—O和—F（見圖2）。2014年，Ghidiu等[4]使用LiF和HCl的混合溶液替代危險(xiǎn)性較大的HF蝕刻Ti₃AlC₂獲得MXene-Ti₃C₂T_x。LiF和HCl蝕刻劑處理MAX有助于Li⁺離子在蝕刻過程中的預(yù)嵌入，削弱層間的相互作用并增大MXene的層間距[5]。

3 二維層狀材料MXene的改性方法

通過對MXene進(jìn)行改性可防止MXene納米片的自堆積，產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)促進(jìn)了電解質(zhì)的運(yùn)輸和離子的進(jìn)入，提高了MXene的物理化學(xué)性能。目前，主要通過水熱法、自組裝法對MXene進(jìn)行改性，使改性后的MXene集成兩種材料的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。Shahzad等[6]用水熱法在MXene-Ti₃C₂Tx納米片表面沉積Fe₂O₃納米顆粒，成功獲得了具有磁性的改性MXene納米復(fù)合材料，在廢水處理中用于吸附重金屬Hg。靜電自組裝法也是材料改性制備復(fù)合材料的一種重要方法。Sun等[7]通過在帶正電荷聚苯乙烯微球（PS）上靜電自組裝帶負(fù)電荷的MXene納米片，再壓縮成型得到MXene@PS納米復(fù)合材料，有效防止二維納米片MXene的聚集和自堆積。

4 二維層狀材料MXene在電磁屏蔽領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，根據(jù)國內(nèi)外關(guān)于二維層狀MXene相材料的文獻(xiàn)報(bào)道，基于MXene的材料已經(jīng)在各領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其中，在電磁屏蔽領(lǐng)域取得了不錯(cuò)的研究進(jìn)展。2016年，Shahzad等[8]首先報(bào)道了MXene薄膜在電磁屏蔽領(lǐng)域的應(yīng)用，將MXene與海藻酸鈉混合，通過真空抽濾的方法制備具有層狀結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽薄膜。將MXene和高分子聚合物復(fù)合，通過熱壓法制備MXene復(fù)合薄膜材料是一個(gè)不錯(cuò)的方法，操作簡單、方便快捷。本團(tuán)隊(duì)即將發(fā)表的成果是以絕緣的材料聚丙烯為基體，將修飾后的MXene作為導(dǎo)電填料嵌入其中，通過熱壓的方法制備柔性MXene復(fù)合薄膜材料，使其內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)狀導(dǎo)電通路，形成高效的電磁屏蔽性能，同時(shí)具有優(yōu)異的阻燃性能。

相較于疏水性的石墨烯材料和比表面積較小的其他碳基材料，二維層狀材料MXene-Ti₃C₂Tx的導(dǎo)電性能優(yōu)良、比表面積較大且含有大量親水性基團(tuán)。隨著MXene越來越受研究者的青睞，以MXene為導(dǎo)電材料的研究設(shè)計(jì)為后續(xù)研究電磁屏蔽材料提供了靈感。