摘要
随着社会的飞速发展，各类电子电气设备为社会提供便捷和高效率的同时也释放出大量的电磁辐射，不仅严重危害着人们的健康，还对国防、经济信息以及政治军事的安全带来极大影响。电磁屏蔽材料能有效降低电磁辐射，但传统的电磁屏蔽材料存在密度高、力学性能与屏蔽效能较低等问题难以满足其发展需求。因此，开发设计轻质、力学性能优异且高屏蔽效能的电磁屏蔽材料尤为迫切。芳纶纳米纤维(ANFs)具有易加工成型、耐化学腐蚀、力学性能卓越并且热稳定性良好等优势，是理想的电磁屏蔽基体材料，但其电磁屏蔽性能极差。因此，本文选用力学性能优异的ANFs为基体，以氧化石墨烯(GO)与MXene(Ti3C2Tx)为填料，采取不同的还原方式分别通过真空辅助抽滤、冷冻干燥制备了轻质、力学性能强且高屏蔽效能的ANFs基复合薄膜与复合气凝胶。系统探究GO添加量以及不同还原方式对复合材料微观形貌、还原程度、力学以及电磁屏蔽性能的影响，并深入探究其屏蔽机理。具体研究内容包括以下三个方面: (1)首先采用改进的Hummers法制备GO，然后将其与脱质子处理得到的ANFs进行物理共混，采用真空辅助抽滤与化学还原（亚硫酸氢钠）处理制备了还原氧化石墨烯(RGO)/ANFs复合薄膜。研究表明:RGO/ANFs复合薄膜具有致密的层状结构，厚度约为17～22μm;当RGO含量为20wt％时，复合薄膜的拉伸应力为100MPa，电磁屏蔽效能(EMISE)达到18dB。复合薄膜的电磁屏蔽性能较纯ANFs薄膜有了明显提升，这是因为RGO被一定程度还原从而提高了复合薄膜的导电性能，使其对电磁辐射的屏蔽效果有了一定的提升。此外，与纯ANFs薄膜类似，RGO/ANFs复合薄膜也显示出良好的热稳定性。 (2)基于研究内容(1)中RGO/ANFs复合薄膜还原并不完全且薄膜结构对电磁屏蔽的效果不甚理想，为了充分还原GO，利用化学还原法先将GO还原为RGO，然后将其与ANFs混合，采用冷冻干燥技术制备了RGO/ANFs复合气凝胶。研究表明:RGO/ANFs复合气凝胶具有均一的三维网络多孔结构，RGO含量为25wt％时，复合气凝胶具有100kPa的压缩强度，且平均密度仅为0.0097g/cm3，远低于同类型其他复合气凝胶;复合气凝胶的电磁屏蔽性能达到了26dB，屏蔽效率可达98.94％，较复合薄膜均有一定提升。这是由于气凝胶这类具有三维网络状结构的材料可以显著提升材料的比表面积和孔隙率，有利于电磁辐射的内部多重反射损耗，增强屏蔽效应，从而提升材料的电磁屏蔽性能。 (3)由于单组份填料对电磁屏蔽性能的增强效果有限，为了进一步提高ANFs的电磁屏蔽性能，通过引入Ti3C2Tx与RGO协同增强ANFs的电磁屏蔽性能。首先采用原位生成氢氟酸刻蚀法制备了Ti3C2Tx，通过冷冻干燥和高温还原得到了Ti3C2Tx/RGO/ANFs复合气凝胶。研究表明:Ti3C2Tx/RGO/ANFs复合气凝胶具有均匀多孔结构，孔径为50～100μm;当Ti3C2Tx含量为25wt％时，具有25kPa的压缩强度与良好的抗压回弹性，在100次循环压缩后几乎能恢复原状。复合气凝胶的电磁屏蔽性能高达55dB，屏蔽效率达到99.75％，与RGO/ANFs复合气凝胶相比有了显著提升，可满足绝大屏蔽领域对于屏蔽效率的要求。复合气凝胶力学性能相比RGO/ANFs复合气凝胶有所降低，这可能是由于Ti3C2Tx本身较脆使得复合材料脆性增大。气凝胶内部多重反射损耗以及RGO、Ti3C2Tx界面极化损耗和电导率损耗能有效地将电磁能转化为热能从而衰减微波，使得Ti3C2Tx/RGO/ANFs复合气凝胶具有优异的电磁屏蔽性能。
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