多层斜纹结构纳米纤维复合膜，用于航空航天和人工智能技术等

1成果简介

随着5G通信、智能穿戴设备的普及，电磁辐射污染问题日益严峻。传统电磁屏蔽材料依赖高导电填料（如金属、碳材料）的密集填充，导致材料厚重、力学性能差，且难以兼具柔韧、疏水、热管理等特性。如何在低填料负载下实现高效屏蔽与多功能集成，成为该领域核心难题。

针对以上问题，武汉纺织大学王栋教授课题组研究团队以PVA-co-PE纳米纤维为基材，AgNW和MXene为功能填料，尼龙6斜纹织物为抽滤模板，通过“模板@真空抽滤-热压”两步法制备了一种具有多层斜纹结构纳米纤维复合膜（PVA-co-PE/AgNW/MXene，PVA/Ag/M）。所得多层热压PVA/Ag/M薄膜表现出卓越的机械性能和优异的电磁干扰屏蔽效能。此外，详细研究了不同AgNW/MXene含量下的微观结构、导电性和电磁干扰屏蔽性能。与传统导电介电混合结构相比，多级斜纹结构的加入提高了电磁屏蔽性能并减少了功能填料的用量。测试结果证明，PVA/Ag/M薄膜在复杂的工作条件和环境下具有优异的电磁屏蔽性能、可靠性和稳定性。该研究制备的高机械强度和超柔韧的多级斜纹PVA/Ag/M复合膜以极低的功能填料实现了卓越的电磁屏蔽和热管理性能，为下一代轻量化电磁防护材料设计提供了新范式，并使其在新兴的电子通信、智能可穿戴电子设备、航空航天和人工智能技术中具有广阔的应用前景。

相关研究成果以“Highly Flexible and Ultralight PVA-co-PE-AgNW/MXene Composite Film with Low Filling for Multistage Electromagnetic Interference Shielding”为题，发表在《Small》期刊上，武汉纺织大学王栋教授和杨晨光副教授为共同通讯作者，武汉纺织大学纺织纤维及制品教育部重点实验室2022级硕士研究生陶德昌为第一作者。该工作受国家自然科学基金、湖北省重点研发项目基金等的资金支持。

2图文导读

图1、 PVA/Ag/M复合膜的制备流程及微观形貌及元素分布.

图1中通过“模板@真空抽滤-热压”两步法制备了一种具有多层斜纹结构PVA/Ag/M复合膜，从其表面形貌和表面曲线图显著观察到规则梯度的斜纹表面结构。通过对截面的SEM分析，表明热压复合膜层之间良好的界面结合，这大大提升了复合膜的力学性能。此外，从图中的元素能谱图可以看出，C、Ag、Ti元素在截面上分布均匀，表明AgNW和MXene在复合膜内分布均匀，并在膜内形成导电网络，进而实现高效电磁屏蔽性能。

图2、 PVA/Ag/M复合膜的化学结构分析

图2通过XRD、FTIR和XPS分析揭示了PVA/Ag/M复合薄膜的化学结构与界面相互作用机制。MXene在蚀刻铝层后，（002）衍射峰从9.4°左移至6.7°，层间距从9.872 nm增至13.146 nm，表明铝层成功去除，且银纳米线（AgNW）的引入进一步扩大了层间距（图2a）。AgNW的XRD图谱显示其（111）、（200）和（220）晶面特征峰，验证了晶体结构的完整性（图2b）。FTIR分析表明，AgNW与MXene通过O–H和C=O基团形成氢键，导致羟基峰从3440 cm⁻¹偏移至3433 cm⁻¹（图2c）。随着AgNW/MXene含量增加，复合薄膜的O–H峰从3310 cm⁻¹移至3294 cm⁻¹，表明自由羟基向缔合羟基转化，强化了组分间的氢键网络（图2d）。XPS中C=O结合能偏移和O–H结合能升高反映了氢键对界面结合力和导电网络稳定性的增强作用（图2e-i）。这些结果共同表明，氢键与化学相互作用优化了PVA/Ag/M复合薄膜的机械性能和导电性能。

图3、 PVA/Ag/M复合膜优异的电磁屏蔽性能及屏蔽机理

图3中展示了PVA/Ag/M复合膜在8-20 GHz超宽频范围内展现卓越电磁屏蔽效能（EMI SE）。当AgNW/MXene含量为2.5 wt.%时，复合膜的EMI SE达101.6 dB，吸收损耗占比超过95%。对比无斜纹结构复合膜，斜纹梯度设计使吸收损耗提升50%以上。斜纹梯度设计使电磁波传输路径延长，内部碰撞概率显著提升。多层斜纹结构进一步优化性能，6层复合膜在Ku波段和K波段依然具有优异的电磁屏蔽性能。

图4 、（a-c）PVA/Ag/M复合膜的电磁屏蔽性能与已报道的材料相比；（d-f）AgNW/MXene含量对电磁屏蔽性能的影响。

图4中PVA/Ag/M复合薄膜的电磁屏蔽性能及综合优势在对比材料中占据性能优势区。该性能源于多级斜纹结构与导电网络的协同作用，相较于传统高填充材料（通常需>10 wt.%填充量），该复合膜在2.0 wt.%填充量时即实现79.3 dB EMI SE，其SSE/t值（35279.5 dB cm² g⁻¹）较碳基/金属复合材料提升1-2个数量级。优化响应模型数据图进一步揭示了低填充量通过强化界面氢键作用，同步提升薄膜拉伸强度与屏蔽效能，突破传统材料机械-屏蔽性能的权衡限制。

图5 PVA/Ag/M复合膜优异的导电性与热管理性能.

图5中PVA/Ag/M复合膜的电导率高达248.6 S cm−1，具有优异的导电性。此外，在低电压下展现快速响应的焦耳加热特性。当施加2.0 V电压时，膜表面温度从室温（36.2℃）迅速升至53.6℃，并在移除电压后5秒内冷却至初始温度。通过调节电压（2.0-3.0 V），可实现53.6-80℃的宽域温度精准控制。红外热成像显示，复合膜加热时温度分布均匀，并可通过热敏材料可视化呈现“WTU”字样。并在3.0 V恒定电压下，复合膜可持续加热超4000秒，验证了其长期稳定性。为智能温控服装、柔性电子热管理等应用提供了高可靠性解决方案。

图6/ PVA/Ag/M复合膜优异机械性能与稳定的传感性能.

图6中展示了PVA/Ag/M复合膜的优异的力学性能与柔性稳定性。随着AgNW/MXene含量增加，复合膜断裂强度从7.6 MPa显著提升至26.8 MPa，且可承受100次80%压缩形变后完全回弹。此外，PVA/Ag/M复合膜通过贴附于人体部位观察电阻率的变化曲线，可实现人体各部位的行为捕捉，为智能穿戴与柔性电子提供了高强韧、动态稳定的解决方案。

图7PVA/Ag/M复合膜的阻燃和疏水性能

结果表明，通过“模板@真空抽滤-热压法”制备而成的PVA/Ag/M复合膜表面具有显著的斜纹梯度结构（图1），各组分之间的物理和化学相互作用同时也改善了内部导电网络和力学性能（图2）。当AgNW/MXene含量仅为2.5 wt.%时，6层的复合薄膜可实现101.6 dB的电磁干扰屏蔽效能和36,501.5 dB cm²g-1的比屏蔽效能（图3和图4）。PVA/Ag/M纳米纤维复合薄膜在低电压下展现出高度敏感的焦耳热效应、快速散热和优异的热稳定性（图5），同时可实现人体体各部位的行为捕捉（图6）。此外，PVA/Ag/M复合薄膜具有不可燃性和疏水性（图7）。这表明PVA/AgNW/M复合薄膜在智能可穿戴传感器和柔性电子产品中用于电磁干扰屏蔽的广泛应用潜力。

文献
:https://doi.org/10.1002/smll.202411752

来源：材料分析与应用