Sandwich structured cellulose-based composite for electromagnetic interference shielding, infrared stealth and Joule heating

用于电磁干扰屏蔽、红外隐身和焦耳加热的夹层结构纤维素基复合材料

第一作者: Jiasheng Wei, Peiyu Zhao, Di Li

通讯作者: Chunxia Tang, Guiqiang Fei, Lei Dai

所属机构: 江南大学，陕西科技大学

DOI: 10.1016/j.carbpol.2025.123979

Carbohydrate Polymers • 2025年

论文亮点

            开发了一种具有"导体-磁体-导体"夹层结构的多功能纤维素基复合材料
该复合材料同时具备优异的电磁干扰屏蔽性能(62.9 dB)、红外隐身能力和焦耳加热性能

研究背景

智能通信技术的快速发展导致电磁波污染日益严重，对人类健康和设备正常运行造成不利影响
传统金属屏蔽材料存在密度高、易腐蚀等缺点，需要开发轻质、环保且灵活的替代材料
纤维素基材料因其轻质、环保和优异的机械性能成为有前景的电磁干扰屏蔽材料候选者

研究方法

使用聚多巴胺改性纤维素滤纸，利用纸张的多孔结构原位生成Fe₃O₄纳米粒子
通过LiF和HCl蚀刻Ti₃AlC₂制备Ti₃C₂Tₓ MXene材料
将TOCNF(TEMPO氧化纤维素纳米纤维)/Ti₃C₂Tₓ分散体与CS(阳离子淀粉)溶液混合
将混合溶液涂覆在PPFe₃O₄复合纸上形成水凝胶薄膜作为导电层
将两片PPFe₃O₄复合纸用CS组装，构建具有"导体-磁体-导体"夹层结构的PPF/TCT复合材料
使用XPS、FTIR、XRD、SEM、TEM等多种表征手段分析材料结构和性能
通过矢量网络分析仪测试电磁干扰屏蔽性能，使用红外热成像仪评估红外隐身和焦耳加热性能

主要结论

成功制备出具有"导体-磁体-导体"夹层结构的纤维素基复合材料，展现出良好的柔韧性和拉伸强度(11.9 MPa)
该复合材料表现出优异的电磁干扰屏蔽性能(62.9 dB)，主要归因于界面反射、介电损耗和磁损耗的协同作用
复合材料具备良好的红外隐身性能(加热平台69.9°C时表面温度仅30.5°C)和快速焦耳加热性能(5V电压下25秒内达到104.8°C)

复合材料设计与应用示意图

图1. 夹层结构PPF/TCT复合材料的设计与应用示意图

分析结果: 该示意图展示了复合材料的制备过程和应用场景。通过聚多巴胺改性纤维素纸，原位生成Fe₃O₄纳米粒子作为磁层，然后涂覆TOCNF/CS/Ti₃C₂Tₓ水凝胶作为导电层，最终形成"导体-磁体-导体"的夹层结构。这种结构设计有利于电磁波的多重反射和吸收，提高屏蔽效能。

材料制备与表征

图2. (a)Ti₃C₂Tₓ制备示意图; (b)Ti₃AlC₂的SEM图像; (c)Ti₃C₂Tₓ的SEM图像; (d)Ti₃C₂Tₓ的TEM图像; (e)Ti₃AlC₂、Ti₃C₂Tₓ和PPF/TCT的XPS谱图; (f)纤维素滤纸、PPDA、PPFe₃O₄、TCT₁₃C₂Tₓ和PPFe₃O₄的XRD谱图; (g)TCT₃C₂Tₓ的C 1s XPS谱图; (h)TCT₃C₂Tₓ的Ti 2p XPS谱图; (i)PPFe₃O₄的Fe 2p XPS谱图

分析结果: 通过蚀刻处理，Ti₃AlC₂从紧凑的块状结构转变为片状Ti₃C₂Tₓ。XRD谱图中Ti₃AlC₂的(002)峰从9.6°移动到Ti₃C₂Tₓ的6.7°，且(104)峰消失，证实了Ti₃C₂Tₓ的成功合成。XPS分析显示Ti₃C₂Tₓ表面含有丰富的亲水官能团，FTIR特征峰位于1601 cm⁻¹(C-F)和3440 cm⁻¹(-OH)。PPFe₃O₄显示出Fe₃O₄的衍射峰，包括在30.2°、35.4°和62.5°的(220)、(311)和(440)衍射峰，表明成功合成了Fe₃O₄。

复合材料形貌结构

图3. (a)纤维素滤纸表面的SEM图像; (b)PPDA表面的SEM图像; (c)PPFe₃O₄表面的SEM图像和元素分布图; (d)PPF/TCT表面的SEM图像; (e)PPF/TCT截面的SEM图像和元素分布图

分析结果: 纤维素纸纤维呈现相对光滑的结构，而PPDA复合纸纤维因PDA的引入变得粗糙，颜色从白色变为棕色。当负载Fe₃O₄后，纤维表面变得更粗糙，EDS图像中Fe元素的分布进一步证实了Fe₃O₄的存在。TOCNF/CS/Ti₃C₂Tₓ水凝胶的引入使PPF/TCT复合材料表面变得光滑，这与水凝胶良好的成膜能力相关。PPF/TCT复合材料的截面SEM图像显示导电层分布在表面，磁层分布在内部分，呈现出整体的"导体-磁体-导体"夹层结构。

EMI屏蔽性能

图4. (a)PPF/TCT复合材料的EMI SET曲线; (b)SEA曲线; (c)SER曲线; (d)SER、SEA、SET; (e)R、A值; (f)EMI SE; (g)SER、SEA、SET; (h)R、A值; (i)基于Ti₃C₂Tₓ含量和厚度的EMI SE比较

分析结果: PPF/TCT复合材料的最小EMI SET达到24.3 dB，超过了商业EMI材料的标准。复合材料的EMI屏蔽性能与Ti₃C₂Tₓ含量呈正相关，当Ti₃C₂Tₓ含量为13.8 wt%时，平均EMI SET达到62.9 dB。反射系数(>0.5)表明复合材料具有反射主导的EMI屏蔽机制。复合材料的最大吸收系数达到0.32，低于反射系数，表现出反射主导的屏蔽机制。这主要归因于复合材料表面的高电导率，导致高效的界面反射。剩余的电磁波以介电和磁损耗的形式耗散，最终只有0.00005%的入射电磁波穿透复合材料。

EMI屏蔽机制与应用

图5. (a)PPF/TCT复合材料的EMI屏蔽机制; (b)PPF/TCT对手机辐射的屏蔽效果; (c)PPF/TCT在特斯拉线圈照明系统中的屏蔽效果

分析结果: PPF/TCT复合材料的优异屏蔽性能主要归因于导电表面对入射电磁波的高反射率。剩余的电磁波在TOCNF/CS/Ti₃C₂Tₓ层之间多次反射。附着在纤维素纤维上的Fe₃O₄通过磁损耗衰减电磁波能量。同时，以导电损耗、偶极极化和界面极化形式的介电损耗进一步耗散电磁波能量，从而表现出吸收性能。最终，只有极少数电磁波穿透复合材料。在实际应用中，PPF/TCT能有效阻挡来自手机和特斯拉线圈照明系统的电磁波传输，表明PPF/TCT在实际应用中具有良好的潜力。

红外隐身性能

图6. (a)红外隐身材料的潜在应用; (b)加热物体及覆盖样品后相同物体的辐射温度; (c)加热物体及覆盖样品后相同物体的红外热图像; (d)PPF/TCT复合材料的辐射温度; (e)PPF/TCT复合材料的红外隐身机制

分析结果: 当将PPF/TCT复合材料放置在加热平台上时，即使加热平台温度大幅升高，复合材料的辐射温度也几乎保持不变，表明复合材料具有有效的红外隐身性能。例如，当加热平台温度达到69.9°C时，复合材料的辐射温度仅为30.5°C。具有高Ti₃C₂Tₓ含量的PPF/TCT60表现出最低的辐射温度，表明Ti₃C₂Tₓ能显著影响红外隐身性能。材料的红外发射率与其电导率相关，提高材料的电导率可以降低其红外发射率，从而表现出优异的红外隐身能力。当红外辐射接触复合材料表面时，由于水凝胶薄膜中Ti₃C₂Tₓ的存在，大部分红外辐射被反射。Ti₃C₂Tₓ具有极低的红外发射率(0.19)，确保了对红外辐射的高反射率。

焦耳加热性能

图7. (a)PPF/TCT复合材料焦耳加热示意图; (b)不同外部电压下PPF/TCT复合材料的响应温度; (c-f)5V电压下不同时间PPF/TCT复合材料的响应温度; (g)响应温度与外部电压的函数关系; (h)PPF/TCT复合材料焦耳加热性能的循环性

分析结果: PPF/TCT复合材料的合理电导率使其具有良好的焦耳加热性能，有望应用于自加热设备。在相对较低的电压下，PPF/TCT复合材料的表面温度显著升高。具体而言，复合材料在3V、4V和5V电压下的表面温度分别达到41.1°C、68.5°C和104.8°C的最大值。这种由低电压驱动的焦耳加热性能相对安全。在5V外部电压下，复合材料的温度在25秒内超过100°C，表明复合材料具有良好的焦耳加热性能和快速响应能力。良好的焦耳热性能主要归因于电能向热能的转换，这是由电子运动受阻引起的。根据焦耳定律，外部电压的增加会导致更高的响应温度。PPF/TCT复合材料的响应温度与外部电压的平方成正比，符合焦耳定律。这对于精确调节复合材料的响应温度具有重要意义。