MXene

南京航空航天大学材料科学与技术学院的Houbao Liu、Renli Fu（通讯作者），齐鲁工业大学材料科学与工程学院的Xu，以及青岛大学微技术与纳米技术学院的Xuhai Liu（通讯作者）等研究者在期刊《Composites Science and Technology》上发表了一篇题为《MXene Confined in Shape-Stabilized Phase Change Material Combining Enhanced Electromagnetic Interference Shielding and Thermal Management Capability》的研究论文（DOI:10.1016/j.compscitech.2021.108835）。本研究探讨了一种集成高电磁屏蔽效能（EMI Shielding Effectiveness, SE）与高效热管理能力的新型复合材料，利用MXene结合形状稳定的相变材料（PCM）成功实现了材料在高频微型化电子封装中的潜在应用。

研究背景与目的

过去十年，随着高频和微型化电子设备的普及，电磁辐射问题日益严峻，不仅可能降低设备运行精度，还可能威胁人类健康。为解决这一问题，发展同时具备高电磁干扰屏蔽能力和高效散热功能的新型电子封装材料已成为当务之急。然而，传统EMI屏蔽材料将辐射转化为热量的过程中，容易引发过热和系统失效。因此，研究同时具备EMI屏蔽效率和热管理性能的多功能复合材料具有重要意义。

非毒性的有机固液相变材料（PCM）因其高潜热、良好的化学稳定性及适宜的相变温度，在热管理中表现出广阔的应用潜力。然而，其实际应用仍面临相变时的液体泄漏问题及热导率（Thermal Conductivity, TC）不足的瓶颈。近年来，二维过渡金属碳化物MXene因其优异的电荷运输性质、较高的理论热导率以及较强的屏蔽性能，被视为理想的功能填料。本研究通过在PCM基体中引入MXene，旨在开发一种能同时实现高EMI屏蔽效能与高TC的复合材料。

研究方法与实验设计

1. 材料制备：使用化学蚀刻法从Ti₃AlC₂（MAX相）中去除Al元素，制备出具有多层结构的MXene（Ti₃C₂Tx）。PCM选用聚乙二醇（PEG，分子量6000）和环氧树脂组成的基体。
2. 复合材料构建：通过高温熔融混合与真空固化工艺，将MXene分散于PEG/环氧复合基体中，调节MXene的重量含量（分别为10%、20%和30%），得到形状稳定的MXene/PCM复合材料（MXene-10/PCM、MXene-20/PCM和MXene-30/PCM）。
3. 性能表征：
   • 使用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）观察材料微观形貌与晶体结构；
   • 利用微差扫描量热法（DSC）测定材料相变特性（如熔融和结晶潜热与温度）；
   • 使用稳态平板法测试材料的热导率（TC）；
   • 用矢量网络分析仪评估其EMI屏蔽效能（SE），并分析反射屏蔽（SER）和吸收屏蔽（SEA）的贡献。

核心结果

始终如一的形状稳定性：

MXene的二维分层结构提供了毛细作用力和表面张力，有效抑制了PEG在固-液相变过程中的液体泄漏。与仅含PEG的PCM相比，MXene/PCM在90℃的高温下无明显液体渗出，展现了优异的形状稳定性。

卓越的EMI屏蔽性能：

• MXene/PCM复合材料的屏蔽效能随MXene含量增加而增强，其中MXene-30/PCM在3毫米厚度下，在X频段达到了64.7 dB的总屏蔽效能（SET），大幅超越商用标准（20 dB）。进一步分析表明，SEA贡献占到了总屏蔽效能的81.1%，表明复合材料以微波吸收为主导机制，有效降低了二次反射污染。

显著的热管理能力：

• 本研究的PCM初始热导率仅为0.36 W/(m·K)。然而，通过引入30 wt%的MXene，其热导率提升至0.74 W/(m·K)，与仅含PCM的基体相比提高了200%。
• DSC测试显示，MXene/PCM复合材料在35°C - 75°C之间具备显著的吸热与放热能力，且相变潜热范围为79.1 J/g - 96.8 J/g。

高效的热耗散与传导：

嵌入热电偶的加热-冷却测试表明，MXene-30/PCM的加热速率最快，显示出优异的热传导与散热性能，有助于快速释放因EMI屏蔽产热而积累的热量。

研究意义

本研究首次将MXene填料引入形状稳定的相变基体材料中，开发出这种同时兼具高EMI屏蔽效能与高效热管理能力的电子封装复合材料。材料设计综合了MXene的导电与导热特性以及PCM的高潜热特性，在一定程度上解决了“热辐射屏蔽与热散热兼容性”难题。这些多功能性使得该材料在微电子封装中展现出了极高的应用潜力，特别是在高频、微型化电子设备中具有实际价值。

研究亮点与创新

1. MXene首次被应用在相变基体中，用于同时实现高EMI屏蔽性能与热管理。
2. 形状稳定性显著增强，解决了传统PCM的液体泄漏问题。
3. 材料在EMI屏蔽与热散热中体现出协同效应，为下一代电子包装材料的设计提供了启发。

这个研究在功能材料领域提供了新思路，为下一代多功能屏蔽与热管理材料奠定了重要基础，有望广泛应用于高性能微电子设备的封装领域，从而展现出其科研价值与实际意义。