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海“納”百川，見“微”知著：國產頂刊《納微快報》2021年熱點文章速覽！

來源：測試GO 時間：2022-04-17 21:18:08 瀏覽：4015次

《Nano-Micro Letters》——中文名《納微快報》，對于材料學領域的同學來說想必并不陌生。納微快報是上海交通大學創辦的英文學術期刊，主要報道與納米/微米尺度相關的最新科技進展及評論性文章，旨在推動納米/微米科技的創新發展。

自2012年獲得第一個影響因子（IF=2.057）至今，納微快報的影響因子一路突飛猛進，2021年最新IF高達16.419。目前，納微快報儼然成為國產材料領域期刊的中流砥柱。在這里，筆者選取并為同學們分析了納微快報在2021年僅有的四篇熱點文章，希望能對同學們的研究有所參考。

01

輕質、柔韌的纖維素衍生碳氣凝膠@還原氧化石墨烯/PDMS復合材料展現出優異的EMI屏蔽性能和熱導率^[^1]

速覽：通過氫鍵驅動自組裝、凝膠化和冷凍干燥制備了三維交聯的纖維素氣凝膠，與rGO復合后實現了出色的電子干擾屏蔽能力。

文章亮點

· 通過氫鍵驅動自組裝、凝膠化和冷凍干燥制備了纖維素氣凝膠。

· CCA@rGO氣凝膠的皮芯結構形成完美的三維雙層導電網絡。

· 使用3.05 wt% CCA@rGO可實現出色的EMI SE(51dB)，比共混復合材料高3.9倍。

研究背景

電子電氣設備在給我們的生活帶來極大便利的同時，也帶來了日益嚴重的電磁污染（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干擾其他電子元器件的正常使用，使電子設備無法正常工作，還會影響人體健康。因此，設計和開發輕質、經濟、高效的EMI屏蔽材料對于解決電磁污染問題勢在必行。

與傳統的金屬基EMI屏蔽復合材料相比，聚合物基EMI屏蔽復合材料以其重量輕、比強度高、易于成型加工、化學穩定性好、成本低、密封性能好等優點受到科學界和工業界的廣泛關注。常用的聚合物基體有環氧樹脂、酚醛樹脂、聚偏二氟乙烯 (PVDF) 和聚二甲基硅氧烷 (PDMS)。

其中，PDMS具有良好的機械性能、耐高低溫、優良的耐候性、化學穩定性和易于加工成型的優點，但為了達到理想的EMI屏蔽效果（EMI SE），通常需要較高的填料填充量。因此，需要進一步開發在低填料負載下具有優異EMI SE的PDMS基EMI屏蔽復合材料。

研究內容

本文作者Ping等人^[^1]采用了可再生的生物質原料，使用氫氧化鈉/尿素溶液通過氫鍵驅動自組裝溶解棉花得到纖維素溶液，再通過凝膠化和冷凍干燥制備纖維素氣凝膠（CA）。在真空環境下將CA浸漬到氧化石墨烯（GO）溶液中，經過凍干制備CA@GO氣凝膠，其中GO能夠負載在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，獲得了負載rGO的CCA骨架。最后用PDMS回填制備CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復合材料。在此基礎上，研究了CCA和rGO負載對CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復合材料的電導率、EMI SE、熱導率、力學和熱性能的影響。

圖文詳情

圖1 CCA@rGO/PDMS EMI 屏蔽復合材料的制造過程

從形貌和結構來看，CA表現出由纖維素纖維相互纏繞而成的3D氣凝膠結構，單根纖維具有相對規則的圓形棒狀結構，直徑約為12 μm。與CA不同的是， CCA的單根纖維具有扭絞狀結構，直徑約為6 μm，纖維纏結程度與棉花和預冷溶液的質量比相關，表明從CA到CCA的形態變化是由于纖維素碳化和含氧官能去除引起的。

此外，CCA@rGO是均質網絡結構，CCA形成CCA@rGO的主框架，rGO薄片完全包裹纖維，形成類似于電纜的皮芯結構。rGO緊密包裹在CCA纖維之外，提供足夠的結構穩定性。CCA核心為rGO片材提供附著點和支撐。PDMS回填后，CCA@rGO的皮芯結構完好保存，CCA@rGO的3D雙層導電網絡結構未受到明顯破壞。同時，PDMS均勻分散在3D網絡的間隙中。

圖2 復合材料的SEM圖像

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

對于CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復合材料，皮芯結構允許CCA@rGO形成具有高導電網絡密度的3D雙層導電網絡結構，增強了入射電磁波和CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復合材料之間的導電損耗和阻抗失配。

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

圖3 PCCA/PDMS和CCA/PDMS EMI屏蔽復合材料的屏蔽效果

圖4 CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復合材料的熱學性能

圖5 CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復合材料的機械性能

02

用于高強度鋅離子電池的無機膠體電解質^[^2]

速覽：開發了一種用于Zn/MnO₂電池高濃度無機膠體電解質，實現了正負兩極的雙重保護，獲得了卓越的長循環穩定性。

文章亮點

· 采用無機膠體電解質的Zn/MnO₂電池實現1000次長耐久循環。

· 在正極側形成保護膜，抑制錳元素的溶解和不可逆副產物的形成。

· 在負極側輔助降低腐蝕和去溶劑化能量，抑制枝晶和不可逆副產物的生長。

研究背景

水系鋅離子電池(ZIBs)的高能量密度、低成本和環保特性尤其適用于大規模固定式電能存儲。不幸的是，ZIBs會發生枝晶生長、元素溶解和不可逆產物的形成等問題。為了解決這些問題，人們從電極關鍵材料入手，致力于開發新的正極材料和增強金屬Zn電極的結構。

作為電池的重要組成部分，電解質為保證電池的長期穩定性和耐久性提供了基本的工作環境，開發高質量的電解質可以有效提高ZIBs的性能。最近的研究發現，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庫倫效率、抑制枝晶產生。

然而，這一策略使用的高成本有機物，以及高濃度在低溫下會發生鹽析等問題，難以大規模應用。

研究內容

本文作者Gao等人設計了一種由坡縷石納米無機材料誘導制備的新型無機高濃度膠體電解質（HCCE）來取代水性ZIBs的普通液體電解質。坡縷石具有鏈狀結構和層狀結構之間的中間結構，可同時對正極/負極提供強大的保護，從而有效抑制元素溶解、枝晶和不可逆產物的生長。

由于SO₄^2?的限制，新型HCCE具有較高的Zn²⁺離子遷移數(0.64)，高離子電導率(1.1×10^–2 S cm^-1)和Zn²⁺離子擴散能力。HCCE可以同時促進陽極和陰極表面保護層的形成，從而抑制Mn的溶解，形成保存良好且無枝晶的金屬Zn陽極。

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

圖文詳情

圖6 HCCE的制備工藝和物化性質

圖7-8展示了Zn/HCCE/α-MnO₂電池的電化學性能和HCCE電解質作用機理。從電化學性能來看，Zn/HCCE/α-MnO₂電池在高電流密度和低電流密度下均表現出高耐久性，具有約100%的高CE、穩定的電壓平臺和高容量保持率（200 mA g^-1下400次循環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依然能夠得到保持，經過200次循環后仍能提供近100%的容量保持率（206 mA g^-1）。

和其他電解質的ZIBs的循環次數和容量保持率對比，使用HCCE的電池顯示出優越的電化學性能。從機理來看，HCCE可以形成保護層來保護ZIBs的正負極。保護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極的腐蝕，降低去溶劑化能，而且提供更多的成核活性位點以保持Zn²⁺持續進行長時間的高可逆沉積/剝離反應，使得電極結構在循環中保存完好。

圖7 HCCE的Zn/MnO₂電池的電化學性能

圖8 HCCE的作用機理分析

03

用于隔熱和微波吸收的環保多功能柚皮基碳氣凝膠^[^3]

速覽：制備了的柚子皮衍生的碳氣凝膠用于屏蔽電磁干擾，同時計算模擬證明其可在真實遠場條件下顯著減小雷達截面。

文章亮點

· 采用冷凍干燥法制備了柚子皮衍生的碳氣凝膠。

· 碳氣凝膠具有保溫、抗壓、吸波等優良的綜合性能。

· 計算模擬證明該材料可在真實遠場條件下顯著減小雷達截面。

研究背景

近年來，各種解決嚴重電磁污染問題的材料得到了廣泛深入的研究。一般來說，這些材料分為兩類：磁吸波材料和介電吸收材料。其中，磁吸波器的磁導率不僅會受到頻率的干擾，而且不能滿足輕量化要求。因此，開發介電吸收材料是實現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)屏蔽材料已經得到廣泛研究，但大部分工作僅僅著眼于擴大帶寬和提高反射損耗強度，而在快速適應復雜的實際環境、設計納米/微米/宏觀結構以及可預測模擬雷達截面（RCS）等方面依然有所欠缺。因此，微波吸收材料的多功能應用和精細設計以及數值模擬具有廣闊的前景。

研究內容

本文作者Gu等人^[^3]通過簡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氣凝膠，形成多孔網絡結構。碳氣凝膠的最大壓縮應力為2.435 kPa，可提供良好的耐久性。這種碳氣凝膠在X波段具有?29.50 dB的最小反射損耗值（RL_min）。

同時，在相對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θ為0°的情況下，可以實現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計思路，而且可以節省實際操作的實驗時間。這項工作為在RCS模擬的指導下制備從生物質原料衍生的多功能微波吸收劑鋪平了道路。

圖文詳情

圖9 柚子皮衍生碳氣凝膠材料形成過程與SEM圖像

冷凍干燥法保證了具有優異導電性的整體3D骨架結構的維持，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展示了碳氣凝膠的微波吸收特性和RCS仿真結果。碳氣凝膠材料具有優異的隔熱性能、力學性能和微波吸收能力。根據分析，多孔碳氣凝膠的互連網絡結構是提高微波吸收性能的關鍵。

首先，由偶極子遷移和外部電場的不相容性引起的強偶極子極化機制和弛豫機制有助于提高介電損耗能力。其次，基于生物質的碳網絡的導電路徑可以帶來活躍的遷移電子和跳躍電子，可用于傳導損耗特性。另外，足夠的內部吸收行為可以增加碳氣凝膠中微波能量的消耗。由于柚子皮衍生的碳氣凝膠具有獨特的三維骨架結構和高孔隙率，因此可以獲得多條微波散射傳播路徑。

此外，RCS仿真結果證明，得到的氣凝膠具有極好的雷達波衰減特性，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氣凝膠的實用性。

圖10 碳氣凝膠的微波吸收特性

圖11 RCS仿真結果

04

突破導熱聚合物復合材料的瓶頸：對固有導熱率、界面熱阻和理論的評述^[^4]

速覽：分析了導熱高分子復合材料領域的研究瓶頸，并提出了三個主要的突破方向，介紹了這三個方向的當前進展。

文章亮點

· 提出了導熱高分子復合材料領域的瓶頸，并分析了相應的原因。

· 提出了突破這些瓶頸的三個可能的方向，并說明了這三個方向的當前進展。

· 預計未來的發展趨勢和需求將有助于導熱聚合物及其復合材料的發展。

研究背景

能源、電子、電氣設備和部件中熱量的快速積累會對其穩定性和可靠性造成嚴重威脅。因此，研究和開發具有高導熱/耗散能力和優異力學性能的聚合物及其復合材料，對于能源、電氣和電子技術領域的材料設計和擴展具有迫切的理論意義和實際應用價值。

聚合物材料因其重量輕、比強度/模量高、易于加工、化學穩定性好、成本低等優點而經常用于相關領域。導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，許多研究人員已經通過上述兩種方法制備了多種導熱聚合物及其復合材料，但大部分材料的導熱系數仍然難以達到預期，這已成為該領域的主要瓶頸。

研究內容

本文作者Gu等人^[^4]長期專注于導熱聚合物及其復合材料的可控制造和內部機理。基于固有的高導熱性、共混、復合和外場誘導加工，研究了“聚合物-界面-填料”的導熱性能和“分子鏈-導熱途徑-導熱率”之間的本構關系，制備了一系列導熱聚合物復合材料和產品，并改進了導熱機制。

本篇綜述在前人研究經驗的基礎上，提出了未來可采取的研究思路和方向，以突破導熱高分子復合材料領域的瓶頸，

圖文詳情

突破導熱高分子復合材料瓶頸的可能方向：

方向一：通過分子設計制備合成本征導熱聚合物，提高聚合物基體的本征導熱系數。在未來關于本征導熱聚合物的研究工作中，研究人員可以制備和合成本征導熱高性能工程聚合物，拓寬本征導熱聚合物的應用范圍。通過合理的分子結構設計和優化的加工工藝來改善聚合物鏈的宏觀有序性也是一個很好的方向。

圖12 在微觀和宏觀水平上具有有序結構的透視本征導熱聚合物示意圖

方向二：改善導熱聚合物復合材料的界面，降低導熱聚合物復合材料的界面熱阻（ITR）。國內外對ITR的研究大多不夠深入。在未來的ITR研究工作中，研究人員將針對導熱聚合物復合材料的新形態和新特性，嘗試建立更通用的ITR數學模型，并加快與熱性能測量公司的深入合作，快速開發出多方面的研究成果和系統適用性強、通用性強的ITR測試方法和測量設備。

圖13 ITR_F-F和ITR_F-M示意圖

方向三：研究熱傳導模型和內在機理。在熱傳導模型的未來研究工作中，需要充分考慮更多實際影響因素，將這些因素量化并引入熱傳導模型，提高熱傳導模型與實驗結果的匹配程度。在未來高分子導熱復合材料的熱傳導機理研究工作中，有必要對高分子導熱復合材料的熱傳導途徑的形成途徑、方法和程度進行深入分析和探索，以及作為熱傳導滲流行為，以開發導熱聚合物復合材料的熱傳導機制，并最終指導實驗和生產的優化。

圖14 熱傳導模型示意圖

圖15 熱傳導路徑示意圖

參考文獻

[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：英文版, 2021, 13(6):17.

[2] Gao J , Xie X , Liang S , et al. Inorganic Colloidal Electrolyte for Highly Robust Zinc-Ion Batteries[J]. 納微快報：英文版, 2021, 13(4):12.

[3]W Gu, J Sheng, Q Huang,等. Environmentally Friendly and Multifunctional Shaddock Peel-Based Carbon Aerogel for Thermal-Insulation and Microwave Absorption[J]. 納微快報：英文版, 2021, 13(7):14.

[4] Gu J , Ruan K . Breaking Through Bottlenecks for Thermally Conductive Polymer Composites: A Perspective for Intrinsic Thermal Conductivity, Interfacial Thermal Resistance and Theoretics[J]. 納微快報：英文版, 2021, 13(7):9.

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