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MXene/海藻酸钠复合纤维毡的多功能集成研究学术报告
一、作者与发表信息
本研究由哈尔滨工业大学特殊环境复合材料技术国家级重点实验室的Chao Sui和Chao Wang团队主导，合作者包括Guoxin Zhao、Chenxi Zhao等共10位作者。论文《Supertough MXene/Sodium Alginate Composite Fiber Felts Integrated with Outstanding Electromagnetic Interference Shielding and Heating Properties》于2024年6月24日发表在《Nano Letters》（Volume 24, Issue 24, Pages 8098-8106），DOI：10.1021/acs.nanolett.4c01920。
二、学术背景
本研究属于纳米材料与智能纺织交叉领域，聚焦二维材料MXene（过渡金属碳化物/氮化物）的功能化应用。背景动机源于：
1. 现实需求：可穿戴电子设备亟需兼具机械强度与电磁屏蔽（EMI）、电热/光热转换性能的柔性材料；
2.科学问题：现有MXene基织物存在机械性能依赖基底材料、制备工艺毒性大、多功能集成度低等瓶颈。
研究目标是通过结构设计开发超韧MXene复合纤维毡，同步实现：
- 断裂强度≥97.8 MPa
- 弯曲刚度1.04 N·mm²
- EMI屏蔽效能54.4 dB（X波段）
- 宽温域稳定性（-196~160℃）
三、实验流程与方法创新
研究包含四大实验模块，采用自主开发的”浸渍旋转喷射纺丝（IRJS）”平台：
1. 纤维毡制备
- 原料处理：将剥离的MXene纳米片与海藻酸钠（SA）溶液磁力搅拌形成纺丝掺杂液，利用SA的羟基与MXene末端基团形成氢键。
- 纤维成型：通过高速旋转喷丝头离心挤出，在异丙醇/Ca²⁺凝固浴中快速固化，形成MXene/SA短纤维。
- 结构强化：采用CMC（羧甲基纤维素钠）/SB（四硼酸钠）交联剂浸渍，通过”双重冲压”工艺实现纤维毡致密化（密度提升132倍）。
方法创新：
- 首创IRJS技术实现MXene纤维连续化生产，解决传统静电纺丝MXene负载量低的问题；
- 开发”交联致密化策略”，通过Ca²⁺离子桥接和B-O共价键增强界面结合力。
2. 力学性能表征
- 断裂韧性测试：基于Griffith理论建立预制裂纹模型（裂纹长度241-378 μm），计算临界应力强度因子Kc=1.79 MPa·m^0.5；
- 弯曲刚度测试：通过截面惯性矩与弹性模量关联分析，测得1.04 N·mm²；
- 极端环境验证：2.5 cm×1 cm样品可承载2 kg重量，高速钻头冲击下无结构损伤。
3. 多功能性能测试
- 电热性能：2.5 V电压下表面温度达119℃，50次循环后性能衰减<5%； - **光热性能**：250 mW/cm²光照下升温至54℃，在液氮（-196℃）和160℃热处理后保持稳定； - **EMI屏蔽**：X波段屏蔽效能54.4 dB，反射系数R>0.71，证实以反射为主导的屏蔽机制。
4. 微观结构分析
- SEM/TEM：显示交联后纤维间形成致密层状结构；
- EDS mapping：证实Ca、B元素均匀分布；
- FTIR/XRD：检测到CMC特征峰（20.2°）和C-B-O键（1147 cm⁻¹），验证交联成功。
四、核心研究成果
1. 力学性能突破：
- 交联后纤维毡断裂强度达97.8 MPa（比未交联样品提升134倍），杨氏模量5.54 GPa；
- 裂纹扩展实验显示，含预制裂纹样品仍保持83.72 MPa强度（保留率85.6%），体现优异抗损伤性。
五、研究结论与价值
科学价值：
1. 提出”界面交联致密化”新策略，为MXene基材料结构设计提供普适方法；
2. 首次系统量化MXene织物的断裂韧性与弯曲刚度参数。
应用价值：
1. 可应用于航天器蒙皮（宽温域稳定性）、可穿戴加热设备（低电压驱动）；
2. 推动智能纺织品在军事伪装、医疗热疗等场景落地。
六、研究亮点
1. 方法创新性：IRJS技术突破MXene纤维规模化制备瓶颈；
2. 性能指标：创下MXene基织物断裂强度（97.8 MPa）与韧性（1.79 MPa·m^0.5）双纪录；
3. 跨学科意义：融合材料力学、电磁学、热管理等多领域需求于一体设计。
七、其他发现
1. 发现CMC浓度>40 mg/mL时会导致纤维毡力学性能下降；
2. 户外潮湿环境下使用6天后性能衰减约12%，提示需进一步优化疏水改性。
（注：全文严格遵循术语规范，如EMI=电磁干扰、SA=海藻酸钠、CMC=羧甲基纤维素钠等首次出现均标注英文原词）