MXene

MXene研究进展的相关文献

(4)Highly thermal conductivities, excellent mechanical robustness and flexibility, and outstanding thermal stabilities of aramid nanofiber composite papers with nacre-mimetic layered structures.

以下是根据提取的文献内容整理的报告:


高导热性、卓越机械韧性与柔性以及杰出耐热稳定性的仿珍珠层结构芳纶纳米纤维复合纸研究

作者及发表信息

本文主要作者包括Tengbo Ma、Yongsheng Zhao、Kunpeng Ruan、Xirui Liu、Junliang Zhang、Yongqiang Guo、Xutong Yang、Jie Kong及通讯作者Junwei Gu。研究来自西北工业大学、亨瑞大学及伦敦玛丽女王大学等机构,发表于ACS Applied Materials & Interface (DOI: 10.1021/acsami.9b19844),本文“Just Accepted Manuscript”成文日期为2019年12月10日。


学术背景及研究意义

芳纶纳米纤维(Aramid Nanofiber, ANF)具有轻质、高强度、良好韧性及优异电绝缘性,被广泛应用于智能可穿戴设备、柔性超级电容器和灵活电子设备。然而,ANF纸热导率较低(λ约0.13 W/mK),难以承受高功率设备运行热负荷,限制其进一步在电子器件领域的应用。此外,现有研究在提升热导率的同时,缺乏对复合材料热导机理的深入理解。因此,开发兼具高导热性、电绝缘性和耐热稳定性的ANF复合结构成为重要课题。

硼氮化物纳米片(Boron Nitride Nanosheets, BNNS)作为导热填料,具备高面内导热率、优异电绝缘性能及抗氧化特性,但由于界面热阻问题,其真实导热性能尚未能被充分利用。以往研究采用化学改性以提升填料与聚合物基体界面导热性能,但许多表面功能化手段对原材料性能影响较大甚至对环境有害。因此,本文创新性地采用聚多巴胺(Polydopamine, PDA)对硼氮化物进行改性,通过真空辅助过滤及热压制备了BNNS基ANF复合纸,并对其导热性、机械性能及热稳定性进行了深入研究。


研究方法和实验流程

本文研究主要分为以下几个部分:

1. ANF制备

ANF以Kevlar纤维为原料,通过KOH与DMSO溶液化学解构后制备。制备过程包括: - 加入650 mL去离子水促进纤维网络结构析出; - 经多次去离子水清洗后在乳化设备处理成稳定的纳米纤维分散浆液; - 通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)及透射电子显微镜(TEM)对ANF成功制备性进行了验证。

2. BNNS功能化处理

通过Tris缓冲液与多巴胺反应,成功在BNNS表面沉积可形成氢键的PDA涂层。实验结果表明,经PDA包覆后: - BNNS分散性显著提升; - TEM(纳米片4nm涂层厚度)、XPS、TGA等实验进一步证实BNNS@PDA改性效果。

3. 仿珍珠层复合纸制备

通过真空过滤方法,混合处理BNNS@PDA与ANF浆料制备BNNS@PDA/ANF湿纸。随后,经热压成型后复合纸进一步稳定成型表现优异可加工性,如易折叠性(折纸展示)及裁切自由性(剪裁复杂形状)。

4. 表征与性能检测

实验通过SEM分析层间界面结构、XRD表征BNNS@PDA在复合纸中的分布方向性,同时通过力学拉伸、热导性能及TGA验证其复合性能。


按实验结果解读关键发现

1. 热导性显著提升

BNNS加入逐步改善ANF热导性,功能化后的BNNS@PDA与ANF复合材料显著降低界面热阻: - 含50% BNNS@PDA复合纸面内导热率λ∥增至3.94 W/mK,较初始ANF提升196.2%。

结合模型解释,功能化后的BNNS降低了声子散射而提升均匀性,从而优化热传导路径。

2. 机械性能强化

BNNS@PDA的表面氢键作用增强了层间结合力: - 含50% BNNS@PDA复合纸抗拉强度从BNNS复合纸的28.2MPa提升至36.8MPa; - 层状分布显著强化复合纸柔韧特性。

3. 热稳定性增强

热重分析(TGA)表明,BNNS@PDA基础复合纸的热阻指数(THRI)达223.1℃,较原始ANF(195.2℃)提升明显。这同时体现了复合纸在高温环境中的适配性能。


研究意义与潜在应用

本文提出了一种环境友好的BNNS@PDA表面修饰策略及仿珍珠层制备工艺,在提升ANF导热性、耐热性和力学强度的同时,保持其低重量和电绝缘特性。其综合性能使其成为未来智能便携设备、电容器及微电子领域中极具潜力的热管理材料。此外,研究还为基于二维填料热导复合材料的构建提供了理论依据。


研究亮点

  1. 创新性地提出低环境负担的聚多巴胺功能化修饰填料;
  2. 实际制备了具备大规模产业化潜力的仿珍珠层复合纸;
  3. 显著提升在材料高导热低电导需求领域(尤其可穿戴与电子器件领域)的适用性价值。

本文以实验数据和理论解释为基础,展示了此类复合材料综合性能优化的可行性与科学潜力。未来发展将进一步结合多场耦合环境对其深化测试与拓展实际应用领域。

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