近日，山东大学材料科学与工程学院王桂龙教授团队通过一种剪切诱导原位成纤与真空辅助过滤相结合的工艺，成功制备出了具有Janus结构的多功能柔性FCFe/M复合膜。该复合膜不仅展现出卓越的电磁屏蔽效能，而且具备优异的热管理能力和机械柔性，为下一代柔性可穿戴电子器件在电磁兼容和智能温控方面提供了材料解决方案。相关研究成果以“Multifunctional Janus-Structured Polytetrafluoroethylene-Carbon Nanotube-Fe3O4/MXene Membranes for Enhanced EMI Shielding and Thermal Management”发表于国际期刊Nano‑Micro Letters (中科院一区，IF: 31.6)。材料学院博士研究生邵润泽为论文第一作者，王桂龙教授为唯一通讯作者，山东大学为第一完成单位和通讯单位。
图1. FCFe/M薄膜的制备工艺示意图
PTFE因其优异的机械强度、柔韧性和化学稳定性，一直被视为轻质电磁屏蔽器件的理想基体材料。然而，鉴于PTFE强大的耐溶剂性和高熔融粘度，如何在其表面和内部引入高含量的电磁功能填料，从而制备具有良好电磁屏蔽性能同时坚固优异的机械强度和高孔隙率的PTFE基复合材料仍是一项重大的挑战。为此，研究团队采用一种原创的剪切诱导原位纤维化工艺，成功地将两种高含量填料引入PTFE基材中，从而制成了PTFE-CNT-Fe3O4（FCFe）电磁波吸收层。在加工过程中，剪切力促使PTFE纤维化，与CNT纤维交织形成坚固的蚕丝状纳米纤维网络，从而牢固捕获Fe₃O₄纳米粒子，显著提升了复合薄膜的磁损耗能力。同时，薄膜内部的纳米纤维网络不仅可以通过多次反射和散射延长了膜内电磁波的传输路径，还可以在内部形成伪平行板微电容器，从而增强了电磁波的吸收效果。
图2. FCFe/M膜的电磁屏蔽机理及屏蔽性能的可视化模拟
随后，团队采用简便的真空辅助过滤工艺，将高电导率的二维MXene材料负载至FCFe薄膜的一侧，成功制备出具有双面异性结构的FCFe/M复合膜。得益于合理的组分分配和精心设计的Janus结构，该复合膜通过“吸收—反射—重吸收”机制，实现了高效的电磁波屏蔽和优异的抗反射性能。在仅84.9 µm的厚度下，该复合膜在X波段的最大EMI屏蔽效能高达44.56 dB，其比屏蔽效能更是突破了10,421.3 dB·cm2·g-1，远超传统屏蔽材料。
此外，凭借材料固有特性和Janus结构所赋予的各向异性，FCFe/M薄膜还表现出出色的机械性能、自熄性、疏水性、耐腐蚀性以及个性化的热管理能力。在电压和光照刺激下，集成加热功能的复合膜表面温度分别可迅速升至140.4°C和145.7°C，显示出快速、稳定和高效的加热及热耗散效果。该项研究以创新型Janus结构设计为核心，为开发具有强大屏蔽与有效抗反射性能的EMI屏蔽材料提供了切实可行的解决方案。凭借其卓越的柔韧性、疏水性、阻燃性、可靠性和热管理性能，FCFe/M复合膜有望在航空航天、军事、人工智能、智能加热设备以及下一代柔性可穿戴技术等领域发挥重要作用。
王桂龙教授团队长期致力于聚四氟乙烯微孔材料的功能化研究，通过探索PTFE微孔功能材料在高效过滤、安全防护、柔性电子和电磁屏蔽等领域的广泛应用，成功解决了长期困扰行业的关键技术难题，填补了PTFE功能微孔材料研究的空白。相关研究成果发表于Adv Funct Mater (2024, 2416428)、Small(2024, 2308992)、Nano Res (2024, 17, 1942-1951)等期刊。
以上研究工作得到国家高层次人才计划项目、国家自然科学基金、山东省自然科学基金以及济南市“高校20条”自主培养创新团队项目等的支持。
来源：山东大学
