陜西科技大學(xué)《Prog. Polym. Sci.》：新型聚合物/二維納米片復(fù)合材料多功能應(yīng)用進(jìn)展
研究背景：
聚合物具有優(yōu)異的可加工性、可擴(kuò)展性、機(jī)械強(qiáng)度以及重量輕等優(yōu)點(diǎn)，已成為電氣絕緣、傳熱導(dǎo)熱、電磁屏蔽等現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中不可或缺的基礎(chǔ)材料。然而聚合物本身的性能參數(shù)仍不能滿足各種軍工、航天及工業(yè)應(yīng)用需求，利用無機(jī)納米填充相與聚合物進(jìn)行復(fù)合，獲得高性能與多功能的有機(jī)-
無機(jī)復(fù)合材料，已經(jīng)成為本世紀(jì)學(xué)術(shù)界與工業(yè)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)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(xué)者們發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用。以各種二維納米片為無機(jī)填料制備高性能聚合物基復(fù)合材料，亦成為了炙手可熱的研究課題，大量研究發(fā)現(xiàn)，二維材料與傳統(tǒng)的零維、一維填料相比，具有明顯的優(yōu)勢，如在相對較低的填料負(fù)載下，可展現(xiàn)諸多新穎的多功能特性，大幅度拓寬了聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用前景。然而，目前的數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)研究文獻(xiàn)眾多，脈絡(luò)繁雜，急需系統(tǒng)地邏輯梳理，方能更有效的發(fā)揮出大量科研人員積累的“思想精華”對該領(lǐng)域未來研究的指導(dǎo)作用。
成果簡介：
近日，陜西科技大學(xué)劉曉旭教授團(tuán)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(guān)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(fù)合的相關(guān)研究報道，并按照復(fù)合材料的電氣性能、熱性能、電磁屏蔽性能及機(jī)械性能進(jìn)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(fù)合材料多功能特性的影響？偨Y(jié)了二維納米片作為填料改善聚合物多功能特性的優(yōu)勢與存在的問題，并對新型聚合物基復(fù)合材料研究進(jìn)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(xué)博士后李佳龍，陜西科技大學(xué)材料學(xué)院劉曉旭教授、哈爾濱理工大學(xué)電氣學(xué)院馮宇副教授為共同通訊作者。陜西科技大學(xué)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(fù)合材料新穎特性的主要因素及新型復(fù)合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)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！白陨隙隆眲冸x的策略中又可按照剝離過程中所依賴的作用力或化學(xué)反應(yīng)細(xì)分為物理方法及化學(xué)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(jī)理示意圖。
（2）二維納米片對聚合物基復(fù)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；谟鉂B理論和有效介質(zhì)理論，摻雜高電導(dǎo)率或具有高介電常數(shù)的二維納米片均可實(shí)現(xiàn)聚合物基復(fù)合材料介電常數(shù)的提升。在此基礎(chǔ)之上，通過對二維納米片進(jìn)行表面包覆、合理設(shè)計介質(zhì)材料多層結(jié)構(gòu)以及多相共摻雜等策略的靈活運(yùn)用，可以賦予聚合物材料絕緣特性和介電常數(shù)的同時提升，從而滿足聚合物材料在高脈沖功率系統(tǒng)、新能源汽車逆變器等新興領(lǐng)域中的應(yīng)用需求。
圖3 各種二維納米片作為填料增強(qiáng)聚合物儲能應(yīng)用的簡要總結(jié)。
（3）二維納米片對聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)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(dǎo)率，以其作為填料可以在聚合物基復(fù)合材料內(nèi)部形成有效聲子傳輸網(wǎng)絡(luò)。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(fù)合材料的熱導(dǎo)率，并對影響聚合物熱導(dǎo)率提升的因素進(jìn)行了總結(jié)，如圖4所示。此外，由于二維納米片熱導(dǎo)率的高度方向依賴性，通過設(shè)計二維納米片空間排列方式可以實(shí)現(xiàn)聚合物基復(fù)合材料熱導(dǎo)率提升的方向可調(diào)節(jié)。
圖4 聚合物基復(fù)合材料中聲子散射示意圖及可用于增強(qiáng)聚合物熱導(dǎo)率的二維納米片分類和影響聚合物基復(fù)合材料熱導(dǎo)率的因素。
（4）二維納米片對聚合物基復(fù)合材料電磁屏蔽特性的影響。隨著先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展和電子設(shè)備在軍事、無線通信、電子和醫(yī)療儀器中的廣泛應(yīng)用，電磁干擾已成為日趨嚴(yán)重的問題。電導(dǎo)率的高低是決定聚合物屏蔽材料電磁屏蔽效能的關(guān)鍵因素，因此，石墨烯及其派生物、MXene、TMD
等導(dǎo)電二維納米片便成為設(shè)計聚合物屏蔽材料的首選填料。對以上二維納米片進(jìn)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(fù)合材料的屏蔽效能；合理設(shè)計二維納米片空間排布結(jié)構(gòu)或構(gòu)建貫穿材料的三維網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)可以滿足航空航天需求的超輕屏蔽材料的關(guān)鍵。
圖5 實(shí)現(xiàn)二維納米片在聚合物基體中取向排布或形成三維網(wǎng)絡(luò)的典型方法及其對聚合物基復(fù)合材料電磁屏蔽特性的影響。
（5）二維納米片對聚合物基復(fù)合材料力學(xué)特性的影響。大平面尺寸、高度結(jié)晶的二維納米片具有優(yōu)異的力學(xué)性能，是提升聚合物基復(fù)合材料力學(xué)特性的首選填料。對二維納米片進(jìn)行表面處理可以增強(qiáng)填料-基體界面耦合力，從而提升聚合物基復(fù)合材料的力學(xué)特性。另外，考慮到二維納米片各向異性的力學(xué)性能，將二維納米片沿施加應(yīng)力方向排列有利于進(jìn)一步提高聚合物基復(fù)合材料的載荷能力。
圖6 二維納米片摻雜的聚合物基復(fù)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(fù)合材料力學(xué)性能的影響。
總結(jié)與展望：
（1）盡管填充二維納米片的聚合物復(fù)合材料具有各種新穎的特性，但迄今為止，如何高產(chǎn)量、低成本、無環(huán)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(fù)合材料的發(fā)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(qiáng)界面相容性，有利于獲得高性能多功能聚合物基復(fù)合材料。因此，進(jìn)一步發(fā)展二維納米片制備工藝并優(yōu)化這些表面/結(jié)構(gòu)處理技術(shù)，將提升聚合物基復(fù)合材料的競爭優(yōu)勢并拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。
（2）二維納米片對聚合物基復(fù)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(yīng)和量子尺寸效應(yīng)對聚合物電擊穿的影響機(jī)制尚未明晰。在工程領(lǐng)域，二維納米片用于增強(qiáng)聚合物長時耐電暈老化的應(yīng)用發(fā)展較早，但二維納米片提高聚合物耐電老化特性的機(jī)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(guān)作用有待進(jìn)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(qiáng)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(jié)構(gòu)的前提下使其與聚合物基體之間形成強(qiáng)相互作用仍然存在困難。二維納米片的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(fù)合材料的各項性能產(chǎn)生極大影響，如何實(shí)現(xiàn)二維納米片在聚合物基體內(nèi)無缺陷復(fù)合仍充滿挑戰(zhàn)。
（4）摻雜導(dǎo)電二維納米片使聚合物能夠屏蔽電磁輻射。在復(fù)雜的屏蔽機(jī)制中，應(yīng)盡可能避免二次反射，電磁波吸收應(yīng)成為實(shí)際應(yīng)用中的首選。聚合物基復(fù)合材料的電導(dǎo)率與二維納米片的尺寸、厚度、缺陷和表面官能團(tuán)密切相關(guān)。深入研究二維納米片納米尺度的缺陷和摻雜含量有望進(jìn)一步提高復(fù)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(fù)合材料楊氏模量、強(qiáng)度和斷裂韌性等機(jī)械性能的關(guān)鍵因素。因此，選擇合適尺寸和厚度的二維納米片至關(guān)重要。二維納米片的表面改性促進(jìn)了聚合物基復(fù)合材料載荷能力的進(jìn)一步增強(qiáng)；而二維納米片的有序排列可以賦予聚合物基復(fù)合材料優(yōu)異的斷裂韌性。迄今為止，高度關(guān)注二維納米片/聚合物基復(fù)合材料力學(xué)性能的研究仍然很少，但鑒于其在實(shí)際工程應(yīng)用中的重要性，因此二維納米片對聚合物基復(fù)合材料力學(xué)性能增強(qiáng)的機(jī)制應(yīng)引起進(jìn)一步的關(guān)注。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S007967002200003X
