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陜西科技大學《Prog. Polym. Sci.》：新型聚合物/二維納米片復合材料多功能應用進展

2022-01-10 來源：高分子科技

研究背景：

聚合物具有優異的可加工性、可擴展性、機械強度以及重量輕等優點，已成為電氣絕緣、傳熱導熱、電磁屏蔽等現代工業應用中不可或缺的基礎材料。然而聚合物本身的性能參數仍不能滿足各種軍工、航天及工業應用需求，利用無機納米填充相與聚合物進行復合，獲得高性能與多功能的有機-無機復合材料，已經成為本世紀學術界與工業界共同關注的熱點問題。

然而，自從研究者首次成功從石墨中剝離出具有顛覆性物理性能的二維石墨烯后，氮化硼、過渡金屬鹵化物、MXene等新興的二維材料，如雨后春筍般的被學者們發現及應用。以各種二維納米片為無機填料制備高性能聚合物基復合材料，亦成為了炙手可熱的研究課題，大量研究發現，二維材料與傳統的零維、一維填料相比，具有明顯的優勢，如在相對較低的填料負載下，可展現諸多新穎的多功能特性，大幅度拓寬了聚合物基復合材料的應用前景。然而，目前的數據庫中的相關研究文獻眾多，脈絡繁雜，急需系統地邏輯梳理，方能更有效的發揮出大量科研人員積累的“思想精華”對該領域未來研究的指導作用。

成果簡介：

近日，陜西科技大學劉曉旭教授團隊受邀在國際知名期刊Progress in Polymer Science（IF=29.19）上撰寫題為“Recent progress in polymer/two-dimensional nanosheets composites with novel performances”的綜述文章。該文收集整理了近20年有關各種聚合物與蒙脫土、二維陶瓷、石墨烯、過渡金屬硫化物、MXene等二維材料復合的相關研究報道，并按照復合材料的電氣性能、熱性能、電磁屏蔽性能及機械性能進行邏輯分類；從二維納米片的各種制備方法入手，深入討論了二維納米片尺寸、表面改性、取向排布及空間排列方式等因素對聚合物基復合材料多功能特性的影響。總結了二維納米片作為填料改善聚合物多功能特性的優勢與存在的問題，并對新型聚合物基復合材料研究進行未來展望（全文接收稿138頁）。該工作第一作者為陜西科技大學博士后李佳龍，陜西科技大學材料學院劉曉旭教授、哈爾濱理工大學電氣學院馮宇副教授為共同通訊作者。陜西科技大學為論文第一署名單位。

圖1 影響新型二維納米片填充的聚合物基復合材料新穎特性的主要因素及新型復合材料的主要應用領域概述

（1）二維納米片制備。目前，已有多種合成二維納米片的方法，大致可以分為“自上而下”剝離及“自下而上”合成。“自上而下”剝離的策略中又可按照剝離過程中所依賴的作用力或化學反應細分為物理方法及化學方法。其中，“自上而下”剝離的方法較為簡易，適用于大量二維納米片的制備；“自下而上”合成的方法雖成本較高，但可以滿足材料尺寸、厚度及形貌等個性化需求。

圖2 通過“自上而下”物理方法獲得的典型二維納米片及剝離機理示意圖。

（2）二維納米片對聚合物基復合材料介電特性的影響。具有高度絕緣特性的二維納米片可以有效提升聚合物材料的長時老化及瞬時擊穿特性。基于逾滲理論和有效介質理論，摻雜高電導率或具有高介電常數的二維納米片均可實現聚合物基復合材料介電常數的提升。在此基礎之上，通過對二維納米片進行表面包覆、合理設計介質材料多層結構以及多相共摻雜等策略的靈活運用，可以賦予聚合物材料絕緣特性和介電常數的同時提升，從而滿足聚合物材料在高脈沖功率系統、新能源汽車逆變器等新興領域中的應用需求。

圖3 各種二維納米片作為填料增強聚合物儲能應用的簡要總結。

（3）二維納米片對聚合物基復合材料導熱特性的影響。氮化硼、石墨烯、MXene等二維納米片具有超高的各向異性熱導率，以其作為填料可以在聚合物基復合材料內部形成有效聲子傳輸網絡。本文歸納了近年來各種摻雜以上二維納米片的聚合物基復合材料的熱導率，并對影響聚合物熱導率提升的因素進行了總結，如圖4所示。此外，由于二維納米片熱導率的高度方向依賴性，通過設計二維納米片空間排列方式可以實現聚合物基復合材料熱導率提升的方向可調節。

圖4 聚合物基復合材料中聲子散射示意圖及可用于增強聚合物熱導率的二維納米片分類和影響聚合物基復合材料熱導率的因素。

（4）二維納米片對聚合物基復合材料電磁屏蔽特性的影響。隨著先進技術的不斷發展和電子設備在軍事、無線通信、電子和醫療儀器中的廣泛應用，電磁干擾已成為日趨嚴重的問題。電導率的高低是決定聚合物屏蔽材料電磁屏蔽效能的關鍵因素，因此，石墨烯及其派生物、MXene、TMD等導電二維納米片便成為設計聚合物屏蔽材料的首選填料。對以上二維納米片進行表面改性、表面原位生長磁性材料可以一定程度提升聚合物基復合材料的屏蔽效能；合理設計二維納米片空間排布結構或構建貫穿材料的三維網絡，是實現可以滿足航空航天需求的超輕屏蔽材料的關鍵。

圖5 實現二維納米片在聚合物基體中取向排布或形成三維網絡的典型方法及其對聚合物基復合材料電磁屏蔽特性的影響。

（5）二維納米片對聚合物基復合材料力學特性的影響。大平面尺寸、高度結晶的二維納米片具有優異的力學性能，是提升聚合物基復合材料力學特性的首選填料。對二維納米片進行表面處理可以增強填料-基體界面耦合力，從而提升聚合物基復合材料的力學特性。另外，考慮到二維納米片各向異性的力學性能，將二維納米片沿施加應力方向排列有利于進一步提高聚合物基復合材料的載荷能力。

圖6 二維納米片摻雜的聚合物基復合材料中基體-填料界面的變化趨勢及二維納米片表面改性對聚合物基復合材料力學性能的影響。

總結與展望：

（1）盡管填充二維納米片的聚合物復合材料具有各種新穎的特性，但迄今為止，如何高產量、低成本、無環境污染地制備薄層二維納米片仍然是“卡脖子”問題，制約了聚合物復合材料的發展。同時，二維納米片的表面改性，或合理整合二維納米片排布方式，可改善填料分散性并增強界面相容性，有利于獲得高性能多功能聚合物基復合材料。因此，進一步發展二維納米片制備工藝并優化這些表面/結構處理技術，將提升聚合物基復合材料的競爭優勢并拓寬應用領域。

（2）二維納米片對聚合物基復合材料短時擊穿特性的影響仍處于起步階段，二維納米片的納米效應和量子尺寸效應對聚合物電擊穿的影響機制尚未明晰。在工程領域，二維納米片用于增強聚合物長時耐電暈老化的應用發展較早，但二維納米片提高聚合物耐電老化特性的機理研究仍停留在模型說明階段。二維納米片對提高聚合物長時耐電暈老化或高速電子沖擊性的相關作用有待進一步探索。

（3）二維納米片的表面改性可以有效提升其在聚合物基體中的分散性并增強界面耦合力，有利于提升聚合物材料的各項性能。然而，如何在不破壞二維納米片晶體結構的前提下使其與聚合物基體之間形成強相互作用仍然存在困難。二維納米片的特殊結構導致了其性能的各向異性，因此二維納米片的空間排列方式會對聚合物基復合材料的各項性能產生極大影響，如何實現二維納米片在聚合物基體內無缺陷復合仍充滿挑戰。

（4）摻雜導電二維納米片使聚合物能夠屏蔽電磁輻射。在復雜的屏蔽機制中，應盡可能避免二次反射，電磁波吸收應成為實際應用中的首選。聚合物基復合材料的電導率與二維納米片的尺寸、厚度、缺陷和表面官能團密切相關。深入研究二維納米片納米尺度的缺陷和摻雜含量有望進一步提高復合材料的電磁屏蔽能力。

（5）填料-基體界面接觸面積是影響聚合物基復合材料楊氏模量、強度和斷裂韌性等機械性能的關鍵因素。因此，選擇合適尺寸和厚度的二維納米片至關重要。二維納米片的表面改性促進了聚合物基復合材料載荷能力的進一步增強；而二維納米片的有序排列可以賦予聚合物基復合材料優異的斷裂韌性。迄今為止，高度關注二維納米片/聚合物基復合材料力學性能的研究仍然很少，但鑒于其在實際工程應用中的重要性，因此二維納米片對聚合物基復合材料力學性能增強的機制應引起進一步的關注。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S007967002200003X

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（責任編輯：xu）

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