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多功能三明治结构ANF/PEDOT:PSS/MXene复合薄膜：高效电磁屏蔽与热管理性能研究

一、作者与发表信息

本研究由西北工业大学化学与化工学院高分子科学与技术陕西省重点实验室的Fengjiao Jiang、Guiyu Chu、Zhuguang Nie等团队完成，通讯作者为Shuhua Qi和Hongxia Yan。论文发表于期刊Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects，2026年卷731，文章编号139053，收录于2025年11月23日。

二、学术背景

随着智能便携和可穿戴电子设备的快速发展，兼具电磁干扰屏蔽（EMI shielding）和热管理功能的柔性材料需求日益迫切。传统金属基材料虽具有优异的EMI屏蔽性能，但存在密度高、加工性差和易腐蚀等问题。二维过渡金属碳/氮化物MXene因其高导电性（~14,000 S/cm）和丰富表面官能团成为研究热点，但其机械性能较差，需通过聚合物复合改善。本研究以芳纶纳米纤维（ANF）为基底，PEDOT:PSS（聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐）为界面粘结剂，MXene为导电填料，设计了一种三明治结构的复合薄膜（APM），旨在通过界面工程和结构优化同步提升EMI屏蔽效率与热管理性能。

三、研究流程与方法

1. 材料制备

   • ANF分散液：通过PPT短纤维在DMSO中碱解48小时，剪切分散获得2 mg/mL的ANF水分散液。
     
   • MXene合成：采用LiF/HCl原位生成HF蚀刻Ti3AlC2，超声剥离后冷冻干燥获得少层Ti3C2Tx MXene纳米片。
     
   • 复合薄膜构建：通过交替真空辅助过滤和热压成型，制备三明治结构的ANF/PEDOT:PSS-MXene-ANF/PEDOT:PSS（APM）薄膜。PEDOT:PSS经5% DMSO处理以提升导电性，其作为界面粘结剂和导电过渡层，增强了MXene与ANF的界面结合力。

2. 表征与测试

   • 结构分析：采用SEM、TEM观察形貌；XRD和XPS验证晶体结构和表面化学；FT-IR和拉曼光谱分析分子间相互作用。
     
   • 性能测试：
     
     • EMI屏蔽：矢量网络分析仪（VNA）测量X波段（8.2–12.4 GHz）屏蔽效能（SE），计算反射（SER）、吸收（SEA）和总效能（SET）。
       
     • 热管理：记录薄膜在低电压（1–2.5 V）下的焦耳加热温度及808 nm激光照射下的光热转换性能。
       
     • 机械性能：万能试验机测试拉伸强度与应变。
       

3. 数据分析
   通过有限元模拟电场分布，验证三明治结构对EMW的衰减机制；通过TGA分析热稳定性，拉曼光谱揭示PEDOT:PSS构象转变对导电性的影响。

四、主要结果

1. 结构特性

   • SEM显示APM薄膜具有清晰的层状结构，EDS映射证实S元素（PEDOT:PSS）分布于上下层，Ti元素（MXene）集中于中间层，界面无分离。
     
   • 拉曼光谱表明DMSO处理使PEDOT:PSS的噻吩环从苯式构象转变为醌式构象（峰位红移5 cm−1），提升了电子离域程度。
     

2. EMI屏蔽性能

   • 当PEDOT:PSS与MXene质量比为1:6时，APM6薄膜的SET达52.57 dB，显著高于混合结构（23.23 dB）。吸收损耗占比（SEA/SET）达70%，表明三明治结构通过多重反射-吸收界面高效耗散电磁波。
     
   • 有限元模拟显示，三明治结构使电场强度降至10 V/m以下，验证了其优势。
     

3. 热管理性能

   • APM6薄膜在2.5 V电压下10秒内升温至110℃，0.6 W/cm²激光照射下光热转换温度达185℃，且循环稳定性优异。MXene的局域表面等离子体共振（LSPR）与PEDOT:PSS的π-π共轭协同增强了光热效应。
     

4. 机械性能
   APM6薄膜的拉伸强度为42.75 MPa，优于无PEDOT:PSS的对照样（28.93 MPa），归因于PEDOT:PSS的界面增强作用。

五、结论与价值

本研究通过界面工程策略，成功构建了一种兼具高EMI屏蔽、高效热管理和良好机械性能的柔性复合薄膜。其科学价值在于：
1. 揭示了PEDOT:PSS作为界面粘结剂和导电桥的双重作用机制；
2. 提出三明治结构设计可同步优化导电网络连续性与界面结合强度；
3. 为下一代柔性电子设备的电磁防护与热管理提供了新材料解决方案，尤其在军事、航空航天领域具应用潜力。

六、研究亮点

1. 创新性方法：首次将PEDOT:PSS作为MXene与ANF的界面过渡层，通过构象调控提升导电性。
   
2. 性能突破：单一薄膜实现52.57 dB EMI屏蔽、110℃低电压驱动加热及185℃光热转换的多元集成。
   
3. 理论贡献：通过实验与模拟结合，阐明三明治结构的多重电磁波衰减机制。

七、其他价值

研究还对比了混合结构与三明治结构的性能差异，为复合材料的结构设计提供了普适性指导。TGA显示APM薄膜在800℃时质量损失仅27.47%，表明其高温稳定性优于纯ANF（53.71%）。

以上报告全面涵盖了该研究的背景、方法、结果与意义，可作为学术交流或文献引用的参考。