隨著小型化器件的運(yùn)行速度、傳輸效率和功率密度的迅速提高，半導(dǎo)體行業(yè)對電磁干擾(EMI)屏蔽和熱管理材料的需求日益增加。因此，提高電子系統(tǒng)中常用的聚烯烴元件(如聚乙烯(PE))的電磁屏蔽性能和導(dǎo)熱性能至關(guān)重要。目前，熔融復(fù)合是制備聚烯烴復(fù)合材料最常用的方法，但填料分散困難以及在填料/填料或填料/基體界面處的高電阻限制了其性能。在此，我們提出了一種折疊制備方法來制備PE復(fù)合材料，將一個排列良好、無縫的石墨烯框架與MXene納米片預(yù)修飾的石墨烯結(jié)合到基體中。通過納米界面工程，我們證明了復(fù)合材料的物理性能可以在相同填充填料的情況下得到進(jìn)一步改善:石墨烯/MXene界面上氫鍵的形成以及無縫連接石墨烯框架的發(fā)展。在低填充量(3 wt %，含0.4 wt % MXene)的情況下，制備的PE復(fù)合材料的電磁屏蔽性能為61.0 dB，熱導(dǎo)率為9.26 Wm
-1 k
-1。此外，基于我們的方法也可以生產(chǎn)出其他具有相同效果的熱塑性復(fù)合材料。本研究為合理設(shè)計填料界面，制備用于微電子和微系統(tǒng)的高性能聚合物復(fù)合材料提供了思路。
圖1. (a) MXene納米片氫鍵修飾碳納米管的制備工藝。(b) Ti
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x MXene照片。(c) MXene納米薄片的SEM， (d) AFM， (e) HR-TEM圖像。(f)生長石墨烯前后的鎳機(jī)織織物照片。(g)生長石墨烯的SEM， (h) TEM和(i) HR-TEM圖像。(j) SEM圖像，(k) C元素映射，(l) GWFs的放大圖。(m) SEM圖像，(n) C和Ti元素映射，(o) M-o-GWFs放大圖。
圖2 (a)羥基化石墨烯與MXene官能團(tuán)反應(yīng)形成MXene與GWFs之間的氫鍵界面。(b) Raman， (c) FTIR， (d) XPS測量，高分辨率(e) C 1s和(f) Ti 2p XPS光譜。
圖3. (a) M-o-GWF/PE復(fù)合材料的制備方法。(b)說明電磁干擾SE和熱導(dǎo)率測量的首選方向的示意圖。(c, d)復(fù)合材料照片和(e, f) SEM圖像。(g) EMI SE和(h)各種樣品對應(yīng)的SER、SEA和SET。(i)納米碳填充聚烯烴復(fù)合材料及其雜化材料之間的SSE/t / 1wt %填料的比較。(j)復(fù)合材料的EMI屏蔽機(jī)理，(k)計算M-o-GWFs和M-GWFs的電荷密度差。
圖4. (a)試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)(α)和熱導(dǎo)率(κ)。(b) M-o-GWF/PE和PE的熱擴(kuò)散率隨環(huán)境溫度的變化。(c)循環(huán)熱沖擊試驗(yàn)表明M-o-GWF /PE具有良好的穩(wěn)定性。(d)測量設(shè)置，(e)紅外(IR)圖像，(f) M-o-GWF/PE和PE表面溫度隨加熱時間的變化。(g) M-o-GWF/PE與其他填充了不同類型納米填料結(jié)構(gòu)的聚烯烴復(fù)合材料沿優(yōu)選傳熱方向的比TCE比較。(i)基于4個模型在0.5 s (h)內(nèi)的模擬比較。
圖5 (a)其他用折疊法制備的M-o-GWFs填充的熱塑性復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和(b) EMI SE。(c)與其他熱塑性復(fù)合材料相比，我們的樣品的EMI SE和熱導(dǎo)率之間有更好的平衡。(d) M-o-GWF/PE復(fù)合材料屏蔽電磁干擾性能的示意圖和(e)照片，以阻止藍(lán)牙設(shè)備之間的無線通信。(f)使用M-o-GWF/PE板作為散熱片的大功率LED模塊冷卻測試平臺的配置。(j) LED燈在不同輸入功率下的表面溫度變化，(k)飽和溫度隨輸入功率密度的變化。(l)循環(huán)加熱/冷卻試驗(yàn)的熱穩(wěn)定性。
相關(guān)科研成果由中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院Yan-Jun Wan團(tuán)隊(duì)于2022年發(fā)表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01716)上。原文：Enhanced Electromagnetic Shielding and Thermal Conductive Properties of Polyolefin Composites with a Ti
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x MXene/Graphene Framework Connected by a Hydrogen-Bonded Interface。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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