北大《ACS Nano》：结构功能集成石墨烯-Skinned芳纶纤维，用于电磁干扰屏蔽

材料分析与应用 · 公众号 · · 2024-12-02 08:00

正文

1 成果简介

具有令人兴奋特性的结构功能集成聚合物纤维对于下一代技术越来越重要。 本文，北京大学张锦院士课题组、焦琨、高鑫等在《ACS Nano》期刊 发表名为“ Structural–Functional Integrated Graphene-Skinned Aramid Fibers for Electromagnetic Interference Shielding ”的论文，研究报告了具有高导电性、高强度和轻质特点的结构功能集成石墨烯-Skinned芳纶纤维（GRAF），该纤维编织后可有效屏蔽电磁干扰（EMI）。

以芳纶聚阴离子（APA）为粘合剂和蚀刻剂，通过浸涂策略将石墨烯自组装到芳纶纤维表面。分子动力学（MD）模拟结果表明，APA 改性芳纶链与石墨烯的结合能（1.3J/m2）高于芳纶链与石墨烯的结合能（0.2J/m2）。 APA具有更高的表面能（55.2mJ/m2），可以蚀刻纤维表面，形成凹槽，从而使石墨烯能够有效吸附并自组装到纤维表面。 GRAF 的导电率高达 1062.04±116.78 S/m，同时具有出色的强度（4.66±0.16 GPa）和模量（106.33±8.21 GPa），优于大多数已报道的导电复合纤维（如天然纤维、聚合物基纤维、无机纤维等）。使用结构功能集成GRAF编织的功能织物在 X 波段的电磁干扰屏蔽效率（SE）高达67.86dB，在12V电压下可在 40 秒内迅速加热至 200 °C。此外，GRAF 织物在长期洗涤后仍能保持导电性，显示出卓越的耐洗涤性。这项研究展示了一种制造结构功能集成材料的有效方法，并显示了碳烯纤维用于 EMI 屏蔽的前景。

2 图文导读

图1. GRAF 的制备过程及其在电磁防护中的应用示意图。

图2. GRAF的特征。

图3.APA 粘合剂层的工作机制。

图4.设计的 GRAF 的机械和电气性能。

图5.GRAF 织物及其电磁干扰屏蔽性能。

3 小结

综上所述，本文通过APA粘合剂辅助自组装策略成功制造了具有高导电性和高强度的结构-功能集成GRAF。GRAF 的电导率为 1062.04 ± 116.78S/m，而其拉伸强度和模量分别为4.66 ± 0.16GPa 和106.33±8.21GPa。这些组合特性使 GRAF 织物具有高达 67.86 dB 的出色 EMI SE，以及快速的电热响应特性。我们的研究结果提出了合成结构功能集成芳纶纤维和织物的创新方法，这些纤维和织物表现出卓越的机械强度和导电性。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c11782