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海“納”百川，見(jiàn)“微”知著：國(guó)產(chǎn)頂刊《納微快報(bào)》2021年熱點(diǎn)文章速覽！

來(lái)源：測(cè)試GO 時(shí)間：2022-04-17 21:18:08 瀏覽：3419次

《Nano-Micro Letters》——中文名《納微快報(bào)》，對(duì)于材料學(xué)領(lǐng)域的同學(xué)來(lái)說(shuō)想必并不陌生。納微快報(bào)是上海交通大學(xué)創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，主要報(bào)道與納米/微米尺度相關(guān)的最新科技進(jìn)展及評(píng)論性文章，旨在推動(dòng)納米/微米科技的創(chuàng)新發(fā)展。

自2012年獲得第一個(gè)影響因子（IF=2.057）至今，納微快報(bào)的影響因子一路突飛猛進(jìn)，2021年最新IF高達(dá)16.419。目前，納微快報(bào)儼然成為國(guó)產(chǎn)材料領(lǐng)域期刊的中流砥柱。在這里，筆者選取并為同學(xué)們分析了納微快報(bào)在2021年僅有的四篇熱點(diǎn)文章，希望能對(duì)同學(xué)們的研究有所參考。

01

輕質(zhì)、柔韌的纖維素衍生碳?xì)饽z@還原氧化石墨烯/PDMS復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的EMI屏蔽性能和熱導(dǎo)率^[^1]

速覽：通過(guò)氫鍵驅(qū)動(dòng)自組裝、凝膠化和冷凍干燥制備了三維交聯(lián)的纖維素氣凝膠，與rGO復(fù)合后實(shí)現(xiàn)了出色的電子干擾屏蔽能力。

文章亮點(diǎn)

· 通過(guò)氫鍵驅(qū)動(dòng)自組裝、凝膠化和冷凍干燥制備了纖維素氣凝膠。

· CCA@rGO氣凝膠的皮芯結(jié)構(gòu)形成完美的三維雙層導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

· 使用3.05 wt% CCA@rGO可實(shí)現(xiàn)出色的EMI SE(51dB)，比共混復(fù)合材料高3.9倍。

研究背景

電子電氣設(shè)備在給我們的生活帶來(lái)極大便利的同時(shí)，也帶來(lái)了日益嚴(yán)重的電磁污染（EMI），如電子噪聲、電磁干擾和射頻干擾等。這些電磁污染不僅會(huì)干擾其他電子元器件的正常使用，使電子設(shè)備無(wú)法正常工作，還會(huì)影響人體健康。因此，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)輕質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、高效的EMI屏蔽材料對(duì)于解決電磁污染問(wèn)題勢(shì)在必行。

與傳統(tǒng)的金屬基EMI屏蔽復(fù)合材料相比，聚合物基EMI屏蔽復(fù)合材料以其重量輕、比強(qiáng)度高、易于成型加工、化學(xué)穩(wěn)定性好、成本低、密封性能好等優(yōu)點(diǎn)受到科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。常用的聚合物基體有環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚偏二氟乙烯 (PVDF) 和聚二甲基硅氧烷 (PDMS)。

其中，PDMS具有良好的機(jī)械性能、耐高低溫、優(yōu)良的耐候性、化學(xué)穩(wěn)定性和易于加工成型的優(yōu)點(diǎn)，但為了達(dá)到理想的EMI屏蔽效果（EMI SE），通常需要較高的填料填充量。因此，需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)在低填料負(fù)載下具有優(yōu)異EMI SE的PDMS基EMI屏蔽復(fù)合材料。

研究?jī)?nèi)容

本文作者Ping等人^[^1]采用了可再生的生物質(zhì)原料，使用氫氧化鈉/尿素溶液通過(guò)氫鍵驅(qū)動(dòng)自組裝溶解棉花得到纖維素溶液，再通過(guò)凝膠化和冷凍干燥制備纖維素氣凝膠（CA）。在真空環(huán)境下將CA浸漬到氧化石墨烯（GO）溶液中，經(jīng)過(guò)凍干制備CA@GO氣凝膠，其中GO能夠負(fù)載在CA骨架上。

然后在高溫下碳化生成纖維素碳@還原氧化石墨烯（CCA@rGO）氣凝膠，獲得了負(fù)載rGO的CCA骨架。最后用PDMS回填制備CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料。在此基礎(chǔ)上，研究了CCA和rGO負(fù)載對(duì)CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料的電導(dǎo)率、EMI SE、熱導(dǎo)率、力學(xué)和熱性能的影響。

圖文詳情

圖1 CCA@rGO/PDMS EMI 屏蔽復(fù)合材料的制造過(guò)程

從形貌和結(jié)構(gòu)來(lái)看，CA表現(xiàn)出由纖維素纖維相互纏繞而成的3D氣凝膠結(jié)構(gòu)，單根纖維具有相對(duì)規(guī)則的圓形棒狀結(jié)構(gòu)，直徑約為12 μm。與CA不同的是， CCA的單根纖維具有扭絞狀結(jié)構(gòu)，直徑約為6 μm，纖維纏結(jié)程度與棉花和預(yù)冷溶液的質(zhì)量比相關(guān)，表明從CA到CCA的形態(tài)變化是由于纖維素碳化和含氧官能去除引起的。

此外，CCA@rGO是均質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，CCA形成CCA@rGO的主框架，rGO薄片完全包裹纖維，形成類(lèi)似于電纜的皮芯結(jié)構(gòu)。rGO緊密包裹在CCA纖維之外，提供足夠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。CCA核心為rGO片材提供附著點(diǎn)和支撐。PDMS回填后，CCA@rGO的皮芯結(jié)構(gòu)完好保存，CCA@rGO的3D雙層導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)未受到明顯破壞。同時(shí)，PDMS均勻分散在3D網(wǎng)絡(luò)的間隙中。

圖2 復(fù)合材料的SEM圖像

圖3-5分別展示了材料的EMI屏蔽性能、熱導(dǎo)率、機(jī)械性能。當(dāng)CCA@rGO的負(fù)載量為3.05 wt%時(shí)，CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料的EMI屏蔽效能（EMI SE）為51 dB，是共混CCA/rGO的3.9倍。

對(duì)于CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料，皮芯結(jié)構(gòu)允許CCA@rGO形成具有高導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)密度的3D雙層導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了入射電磁波和CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料之間的導(dǎo)電損耗和阻抗失配。

同時(shí)，rGO的引入導(dǎo)致出現(xiàn)更多的兩相界面，這顯著提高了CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料對(duì)入射電磁波的界面極化損耗能力。另外，CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性（T_HRI為178.3 ?C）、良好的導(dǎo)熱系數(shù)（λ為 0.65 W m^-1K^-1）和優(yōu)異的機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度和硬度分別為4.1 MPa和42 HA）。優(yōu)異的綜合性能使CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料在輕質(zhì)、柔性EMI屏蔽復(fù)合材料中的應(yīng)用前景廣闊。

圖3 PCCA/PDMS和CCA/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料的屏蔽效果

圖4 CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料的熱學(xué)性能

圖5 CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料的機(jī)械性能

02

用于高強(qiáng)度鋅離子電池的無(wú)機(jī)膠體電解質(zhì)^[^2]

速覽：開(kāi)發(fā)了一種用于Zn/MnO₂電池高濃度無(wú)機(jī)膠體電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了正負(fù)兩極的雙重保護(hù)，獲得了卓越的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。

文章亮點(diǎn)

· 采用無(wú)機(jī)膠體電解質(zhì)的Zn/MnO₂電池實(shí)現(xiàn)1000次長(zhǎng)耐久循環(huán)。

· 在正極側(cè)形成保護(hù)膜，抑制錳元素的溶解和不可逆副產(chǎn)物的形成。

· 在負(fù)極側(cè)輔助降低腐蝕和去溶劑化能量，抑制枝晶和不可逆副產(chǎn)物的生長(zhǎng)。

研究背景

水系鋅離子電池(ZIBs)的高能量密度、低成本和環(huán)保特性尤其適用于大規(guī)模固定式電能存儲(chǔ)。不幸的是，ZIBs會(huì)發(fā)生枝晶生長(zhǎng)、元素溶解和不可逆產(chǎn)物的形成等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，人們從電極關(guān)鍵材料入手，致力于開(kāi)發(fā)新的正極材料和增強(qiáng)金屬Zn電極的結(jié)構(gòu)。

作為電池的重要組成部分，電解質(zhì)為保證電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐久性提供了基本的工作環(huán)境，開(kāi)發(fā)高質(zhì)量的電解質(zhì)可以有效提高ZIBs的性能。最近的研究發(fā)現(xiàn)，使用“鹽包水”策略制成的高濃度電解液可以有效提高電池的循環(huán)庫(kù)倫效率、抑制枝晶產(chǎn)生。

然而，這一策略使用的高成本有機(jī)物，以及高濃度在低溫下會(huì)發(fā)生鹽析等問(wèn)題，難以大規(guī)模應(yīng)用。

研究?jī)?nèi)容

本文作者Gao等人設(shè)計(jì)了一種由坡縷石納米無(wú)機(jī)材料誘導(dǎo)制備的新型無(wú)機(jī)高濃度膠體電解質(zhì)（HCCE）來(lái)取代水性ZIBs的普通液體電解質(zhì)。坡縷石具有鏈狀結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)之間的中間結(jié)構(gòu)，可同時(shí)對(duì)正極/負(fù)極提供強(qiáng)大的保護(hù)，從而有效抑制元素溶解、枝晶和不可逆產(chǎn)物的生長(zhǎng)。

由于SO₄^2?的限制，新型HCCE具有較高的Zn²⁺離子遷移數(shù)(0.64)，高離子電導(dǎo)率(1.1×10^–2 S cm^-1)和Zn²⁺離子擴(kuò)散能力。HCCE可以同時(shí)促進(jìn)陽(yáng)極和陰極表面保護(hù)層的形成，從而抑制Mn的溶解，形成保存良好且無(wú)枝晶的金屬Zn陽(yáng)極。

Zn/HCCE/α-MnO₂電池在高電流密度和低電流密度下均表現(xiàn)出高耐久性，考慮到材料的可持續(xù)性和電池的高性能，這種膠體電解質(zhì)可以提供超越ZIB的液態(tài)和全固態(tài)電解質(zhì)的可行替代品。

圖文詳情

圖6 HCCE的制備工藝和物化性質(zhì)

圖7-8展示了Zn/HCCE/α-MnO₂電池的電化學(xué)性能和HCCE電解質(zhì)作用機(jī)理。從電化學(xué)性能來(lái)看，Zn/HCCE/α-MnO₂電池在高電流密度和低電流密度下均表現(xiàn)出高耐久性，具有約100%的高CE、穩(wěn)定的電壓平臺(tái)和高容量保持率（200 mA g^-1下400次循環(huán)后容量保持率幾乎為100%）。即使在1000 mA g^-1的高電流密度下，電池的充放電電壓平臺(tái)依然能夠得到保持，經(jīng)過(guò)200次循環(huán)后仍能提供近100%的容量保持率（206 mA g^-1）。

和其他電解質(zhì)的ZIBs的循環(huán)次數(shù)和容量保持率對(duì)比，使用HCCE的電池顯示出優(yōu)越的電化學(xué)性能。從機(jī)理來(lái)看，HCCE可以形成保護(hù)層來(lái)保護(hù)ZIBs的正負(fù)極。保護(hù)層能有效抑制不可逆電極表面羥基硫酸鋅的形成，與液體相比不會(huì)阻礙鋅離子的傳輸。

更重要的是，它不僅可以抑制錳的溶解和陽(yáng)極的腐蝕，降低去溶劑化能，而且提供更多的成核活性位點(diǎn)以保持Zn²⁺持續(xù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的高可逆沉積/剝離反應(yīng)，使得電極結(jié)構(gòu)在循環(huán)中保存完好。

圖7 HCCE的Zn/MnO₂電池的電化學(xué)性能

圖8 HCCE的作用機(jī)理分析

03

用于隔熱和微波吸收的環(huán)保多功能柚皮基碳?xì)饽z^[^3]

速覽：制備了的柚子皮衍生的碳?xì)饽z用于屏蔽電磁干擾，同時(shí)計(jì)算模擬證明其可在真實(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)條件下顯著減小雷達(dá)截面。

文章亮點(diǎn)

· 采用冷凍干燥法制備了柚子皮衍生的碳?xì)饽z。

· 碳?xì)饽z具有保溫、抗壓、吸波等優(yōu)良的綜合性能。

· 計(jì)算模擬證明該材料可在真實(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)條件下顯著減小雷達(dá)截面。

研究背景

近年來(lái)，各種解決嚴(yán)重電磁污染問(wèn)題的材料得到了廣泛深入的研究。一般來(lái)說(shuō)，這些材料分為兩類(lèi)：磁吸波材料和介電吸收材料。其中，磁吸波器的磁導(dǎo)率不僅會(huì)受到頻率的干擾，而且不能滿(mǎn)足輕量化要求。因此，開(kāi)發(fā)介電吸收材料是實(shí)現(xiàn)輕量化電磁污染屏蔽器的理想選擇。

盡管有多種介電微波吸收材料和電磁干擾(EMI)屏蔽材料已經(jīng)得到廣泛研究，但大部分工作僅僅著眼于擴(kuò)大帶寬和提高反射損耗強(qiáng)度，而在快速適應(yīng)復(fù)雜的實(shí)際環(huán)境、設(shè)計(jì)納米/微米/宏觀結(jié)構(gòu)以及可預(yù)測(cè)模擬雷達(dá)截面（RCS）等方面依然有所欠缺。因此，微波吸收材料的多功能應(yīng)用和精細(xì)設(shè)計(jì)以及數(shù)值模擬具有廣闊的前景。

研究?jī)?nèi)容

本文作者Gu等人^[^3]通過(guò)簡(jiǎn)便的冷凍干燥法和煅燒工藝，使用新鮮柚子皮制備了超輕碳?xì)饽z，形成多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。碳?xì)饽z的最大壓縮應(yīng)力為2.435 kPa，可提供良好的耐久性。這種碳?xì)饽z在X波段具有?29.50 dB的最小反射損耗值（RL_min）。

同時(shí)，在相對(duì)較薄的厚度的情況下（1.7 mm），有效吸收帶寬覆蓋5.80 GHz。在檢測(cè)θ為0°的情況下，可以實(shí)現(xiàn)16.28 dB m²的最大的RCS減小值。另外，文章使用的CST仿真策略不僅可以給微波吸收器的設(shè)計(jì)思路，而且可以節(jié)省實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。這項(xiàng)工作為在RCS模擬的指導(dǎo)下制備從生物質(zhì)原料衍生的多功能微波吸收劑鋪平了道路。

圖文詳情

圖9 柚子皮衍生碳?xì)饽z材料形成過(guò)程與SEM圖像

冷凍干燥法保證了具有優(yōu)異導(dǎo)電性的整體3D骨架結(jié)構(gòu)的維持，一方面，生柚子皮中水升華留下的大量孔可以增加偶極子的數(shù)量以及偶極子極化，另一方面，高孔隙率有利于材料的輕量化。

圖10-12展示了碳?xì)饽z的微波吸收特性和RCS仿真結(jié)果。碳?xì)饽z材料具有優(yōu)異的隔熱性能、力學(xué)性能和微波吸收能力。根據(jù)分析，多孔碳?xì)饽z的互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是提高微波吸收性能的關(guān)鍵。

首先，由偶極子遷移和外部電場(chǎng)的不相容性引起的強(qiáng)偶極子極化機(jī)制和弛豫機(jī)制有助于提高介電損耗能力。其次，基于生物質(zhì)的碳網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電路徑可以帶來(lái)活躍的遷移電子和跳躍電子，可用于傳導(dǎo)損耗特性。另外，足夠的內(nèi)部吸收行為可以增加碳?xì)饽z中微波能量的消耗。由于柚子皮衍生的碳?xì)饽z具有獨(dú)特的三維骨架結(jié)構(gòu)和高孔隙率，因此可以獲得多條微波散射傳播路徑。

此外，RCS仿真結(jié)果證明，得到的氣凝膠具有極好的雷達(dá)波衰減特性，可以抑制電磁波從PEC表面的散射和反射，證明了這種基于柚子皮的碳?xì)饽z的實(shí)用性。

圖10 碳?xì)饽z的微波吸收特性

圖11 RCS仿真結(jié)果

04

突破導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的瓶頸：對(duì)固有導(dǎo)熱率、界面熱阻和理論的評(píng)述^[^4]

速覽：分析了導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料領(lǐng)域的研究瓶頸，并提出了三個(gè)主要的突破方向，介紹了這三個(gè)方向的當(dāng)前進(jìn)展。

文章亮點(diǎn)

· 提出了導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料領(lǐng)域的瓶頸，并分析了相應(yīng)的原因。

· 提出了突破這些瓶頸的三個(gè)可能的方向，并說(shuō)明了這三個(gè)方向的當(dāng)前進(jìn)展。

· 預(yù)計(jì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和需求將有助于導(dǎo)熱聚合物及其復(fù)合材料的發(fā)展。

研究背景

能源、電子、電氣設(shè)備和部件中熱量的快速積累會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性和可靠性造成嚴(yán)重威脅。因此，研究和開(kāi)發(fā)具有高導(dǎo)熱/耗散能力和優(yōu)異力學(xué)性能的聚合物及其復(fù)合材料，對(duì)于能源、電氣和電子技術(shù)領(lǐng)域的材料設(shè)計(jì)和擴(kuò)展具有迫切的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

聚合物材料因其重量輕、比強(qiáng)度/模量高、易于加工、化學(xué)穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)而經(jīng)常用于相關(guān)領(lǐng)域。導(dǎo)熱聚合物按制備工藝可分為本征型和填充型兩種，到目前為止，許多研究人員已經(jīng)通過(guò)上述兩種方法制備了多種導(dǎo)熱聚合物及其復(fù)合材料，但大部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)仍然難以達(dá)到預(yù)期，這已成為該領(lǐng)域的主要瓶頸。

研究?jī)?nèi)容

本文作者Gu等人^[^4]長(zhǎng)期專(zhuān)注于導(dǎo)熱聚合物及其復(fù)合材料的可控制造和內(nèi)部機(jī)理。基于固有的高導(dǎo)熱性、共混、復(fù)合和外場(chǎng)誘導(dǎo)加工，研究了“聚合物-界面-填料”的導(dǎo)熱性能和“分子鏈-導(dǎo)熱途徑-導(dǎo)熱率”之間的本構(gòu)關(guān)系，制備了一系列導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料和產(chǎn)品，并改進(jìn)了導(dǎo)熱機(jī)制。

本篇綜述在前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了未來(lái)可采取的研究思路和方向，以突破導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料領(lǐng)域的瓶頸，

圖文詳情

突破導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料瓶頸的可能方向：

方向一：通過(guò)分子設(shè)計(jì)制備合成本征導(dǎo)熱聚合物，提高聚合物基體的本征導(dǎo)熱系數(shù)。在未來(lái)關(guān)于本征導(dǎo)熱聚合物的研究工作中，研究人員可以制備和合成本征導(dǎo)熱高性能工程聚合物，拓寬本征導(dǎo)熱聚合物的應(yīng)用范圍。通過(guò)合理的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的加工工藝來(lái)改善聚合物鏈的宏觀有序性也是一個(gè)很好的方向。

圖12 在微觀和宏觀水平上具有有序結(jié)構(gòu)的透視本征導(dǎo)熱聚合物示意圖

方向二：改善導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的界面，降低導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的界面熱阻（ITR）。國(guó)內(nèi)外對(duì)ITR的研究大多不夠深入。在未來(lái)的ITR研究工作中，研究人員將針對(duì)導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的新形態(tài)和新特性，嘗試建立更通用的ITR數(shù)學(xué)模型，并加快與熱性能測(cè)量公司的深入合作，快速開(kāi)發(fā)出多方面的研究成果和系統(tǒng)適用性強(qiáng)、通用性強(qiáng)的ITR測(cè)試方法和測(cè)量設(shè)備。

圖13 ITR_F-F和ITR_F-M示意圖

方向三：研究熱傳導(dǎo)模型和內(nèi)在機(jī)理。在熱傳導(dǎo)模型的未來(lái)研究工作中，需要充分考慮更多實(shí)際影響因素，將這些因素量化并引入熱傳導(dǎo)模型，提高熱傳導(dǎo)模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的匹配程度。在未來(lái)高分子導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)機(jī)理研究工作中，有必要對(duì)高分子導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)途徑的形成途徑、方法和程度進(jìn)行深入分析和探索，以及作為熱傳導(dǎo)滲流行為，以開(kāi)發(fā)導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)機(jī)制，并最終指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)的優(yōu)化。

圖14 熱傳導(dǎo)模型示意圖

圖15 熱傳導(dǎo)路徑示意圖

參考文獻(xiàn)

[1] Song P , Liu B , Liang C , et al. Lightweight, Flexible Cellulose-Derived Carbon Aerogel@Reduced Graphene Oxide/PDMS Composites with Outstanding EMI Shielding Performances and Excellent Thermal Conductivities[J]. 納微快報(bào)：英文版, 2021, 13(6):17.

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