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海“納”百川，見“微”知著：國產(chǎn)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：3551次

《Nano-Micro Letters》——中文名《納微快報》，對于材料學(xué)領(lǐng)域的同學(xué)來說想必并不陌生。納微快報是上海交通大學(xué)創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，主要報道與納米/微米尺度相關(guān)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(chuàng)新發(fā)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(chǎn)材料領(lǐng)域期刊的中流砥柱。在這里，筆者選取并為同學(xué)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(xué)們的研究有所參考。

01

輕質(zhì)、柔韌的纖維素衍生碳?xì)饽z@還原氧化石墨烯/PDMS復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的EMI屏蔽性能和熱導(dǎo)率^[^1]

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

文章亮點

· 通過氫鍵驅(qū)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(jié)構(gòu)形成完美的三維雙層導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

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

研究背景

電子電氣設(shè)備在給我們的生活帶來極大便利的同時，也帶來了日益嚴(yán)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(shè)備無法正常工作，還會影響人體健康。因此，設(shè)計和開發(fā)輕質(zhì)、經(jīng)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(tǒng)的金屬基EMI屏蔽復(fù)合材料相比，聚合物基EMI屏蔽復(fù)合材料以其重量輕、比強度高、易于成型加工、化學(xué)穩(wěn)定性好、成本低、密封性能好等優(yōu)點受到科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。常用的聚合物基體有環(huán)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(yōu)良的耐候性、化學(xué)穩(wěn)定性和易于加工成型的優(yōu)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(fā)在低填料負(fù)載下具有優(yōu)異EMI SE的PDMS基EMI屏蔽復(fù)合材料。

研究內(nèi)容

本文作者Ping等人^[^1]采用了可再生的生物質(zhì)原料，使用氫氧化鈉/尿素溶液通過氫鍵驅(qū)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(huán)境下將CA浸漬到氧化石墨烯（GO）溶液中，經(jīng)過凍干制備CA@GO氣凝膠，其中GO能夠負(fù)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(fù)載rGO的CCA骨架。最后用PDMS回填制備CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料。在此基礎(chǔ)上，研究了CCA和rGO負(fù)載對CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料的電導(dǎo)率、EMI SE、熱導(dǎo)率、力學(xué)和熱性能的影響。

圖文詳情

圖1 CCA@rGO/PDMS EMI 屏蔽復(fù)合材料的制造過程

從形貌和結(jié)構(gòu)來看，CA表現(xiàn)出由纖維素纖維相互纏繞而成的3D氣凝膠結(jié)構(gòu)，單根纖維具有相對規(guī)則的圓形棒狀結(jié)構(gòu)，直徑約為12 μm。與CA不同的是， CCA的單根纖維具有扭絞狀結(jié)構(gòu)，直徑約為6 μm，纖維纏結(jié)程度與棉花和預(yù)冷溶液的質(zhì)量比相關(guān)，表明從CA到CCA的形態(tài)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(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。rGO緊密包裹在CCA纖維之外，提供足夠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(jié)構(gòu)完好保存，CCA@rGO的3D雙層導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)未受到明顯破壞。同時，PDMS均勻分散在3D網(wǎng)絡(luò)的間隙中。

圖2 復(fù)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(dǎo)率、機械性能。當(dāng)CCA@rGO的負(fù)載量為3.05 wt%時，CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)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(fù)合材料，皮芯結(jié)構(gòu)允許CCA@rGO形成具有高導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)密度的3D雙層導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強了入射電磁波和CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料之間的導(dǎo)電損耗和阻抗失配。

同時，rGO的引入導(dǎo)致出現(xiàn)更多的兩相界面，這顯著提高了CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)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(fù)合材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性（T_HRI為178.3 ?C）、良好的導(dǎo)熱系數(shù)（λ為 0.65 W m^-1K^-1）和優(yōu)異的機械性能（拉伸強度和硬度分別為4.1 MPa和42 HA）。優(yōu)異的綜合性能使CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料在輕質(zhì)、柔性EMI屏蔽復(fù)合材料中的應(yīng)用前景廣闊。

圖3 PCCA/PDMS和CCA/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料的屏蔽效果

圖4 CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)合材料的熱學(xué)性能

圖5 CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽復(fù)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(zhì)^[^2]

速覽：開發(fā)了一種用于Zn/MnO₂電池高濃度無機膠體電解質(zhì)，實現(xiàn)了正負(fù)兩極的雙重保護，獲得了卓越的長循環(huán)穩(wěn)定性。

文章亮點

· 采用無機膠體電解質(zhì)的Zn/MnO₂電池實現(xiàn)1000次長耐久循環(huán)。

· 在正極側(cè)形成保護膜，抑制錳元素的溶解和不可逆副產(chǎn)物的形成。

· 在負(fù)極側(cè)輔助降低腐蝕和去溶劑化能量，抑制枝晶和不可逆副產(chǎn)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(huán)保特性尤其適用于大規(guī)模固定式電能存儲。不幸的是，ZIBs會發(fā)生枝晶生長、元素溶解和不可逆產(chǎn)物的形成等問題。為了解決這些問題，人們從電極關(guān)鍵材料入手，致力于開發(fā)新的正極材料和增強金屬Zn電極的結(jié)構(gòu)。

作為電池的重要組成部分，電解質(zhì)為保證電池的長期穩(wěn)定性和耐久性提供了基本的工作環(huán)境，開發(fā)高質(zhì)量的電解質(zhì)可以有效提高ZIBs的性能。最近的研究發(fā)現(xiàn)，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(huán)庫倫效率、抑制枝晶產(chǎn)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(fā)生鹽析等問題，難以大規(guī)模應(yīng)用。

研究內(nèi)容

本文作者Gao等人設(shè)計了一種由坡縷石納米無機材料誘導(dǎo)制備的新型無機高濃度膠體電解質(zhì)（HCCE）來取代水性ZIBs的普通液體電解質(zhì)。坡縷石具有鏈狀結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)之間的中間結(jié)構(gòu)，可同時對正極/負(fù)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(chǎn)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(shù)(0.64)，高離子電導(dǎo)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(xiàn)出高耐久性，考慮到材料的可持續(xù)性和電池的高性能，這種膠體電解質(zhì)可以提供超越ZIB的液態(tài)和全固態(tài)電解質(zhì)的可行替代品。

圖文詳情

圖6 HCCE的制備工藝和物化性質(zhì)

圖7-8展示了Zn/HCCE/α-MnO₂電池的電化學(xué)性能和HCCE電解質(zhì)作用機理。從電化學(xué)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(xiàn)出高耐久性，具有約100%的高CE、穩(wěn)定的電壓平臺和高容量保持率（200 mA g^-1下400次循環(huán)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(jīng)過200次循環(huán)后仍能提供近100%的容量保持率（206 mA g^-1）。

和其他電解質(zhì)的ZIBs的循環(huán)次數(shù)和容量保持率對比，使用HCCE的電池顯示出優(yōu)越的電化學(xué)性能。從機理來看，HCCE可以形成保護層來保護ZIBs的正負(fù)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(xù)進行長時間的高可逆沉積/剝離反應(yīng)，使得電極結(jié)構(gòu)在循環(huán)中保存完好。

圖7 HCCE的Zn/MnO₂電池的電化學(xué)性能

圖8 HCCE的作用機理分析

03

用于隔熱和微波吸收的環(huán)保多功能柚皮基碳?xì)饽z^[^3]

速覽：制備了的柚子皮衍生的碳?xì)饽z用于屏蔽電磁干擾，同時計算模擬證明其可在真實遠(yuǎn)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?xì)饽z。

· 碳?xì)饽z具有保溫、抗壓、吸波等優(yōu)良的綜合性能。

· 計算模擬證明該材料可在真實遠(yuǎn)場條件下顯著減小雷達截面。

研究背景

近年來，各種解決嚴(yán)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(dǎo)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(fā)介電吸收材料是實現(xiàn)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(jīng)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(yīng)復(fù)雜的實際環(huán)境、設(shè)計納米/微米/宏觀結(jié)構(gòu)以及可預(yù)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(yīng)用和精細(xì)設(shè)計以及數(shù)值模擬具有廣闊的前景。

研究內(nèi)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?xì)饽z，形成多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。碳?xì)饽z的最大壓縮應(yīng)力為2.435 kPa，可提供良好的耐久性。這種碳?xì)饽z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(xiàn)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(shè)計思路，而且可以節(jié)省實際操作的實驗時間。這項工作為在RCS模擬的指導(dǎo)下制備從生物質(zhì)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?xì)饽z材料形成過程與SEM圖像

冷凍干燥法保證了具有優(yōu)異導(dǎo)電性的整體3D骨架結(jié)構(gòu)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(shù)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?xì)饽z的微波吸收特性和RCS仿真結(jié)果。碳?xì)饽z材料具有優(yōu)異的隔熱性能、力學(xué)性能和微波吸收能力。根據(jù)分析，多孔碳?xì)饽z的互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是提高微波吸收性能的關(guān)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(zhì)的碳網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電路徑可以帶來活躍的遷移電子和跳躍電子，可用于傳導(dǎo)損耗特性。另外，足夠的內(nèi)部吸收行為可以增加碳?xì)饽z中微波能量的消耗。由于柚子皮衍生的碳?xì)饽z具有獨特的三維骨架結(jié)構(gòu)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(jié)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?xì)饽z的實用性。

圖10 碳?xì)饽z的微波吸收特性

圖11 RCS仿真結(jié)果

04

突破導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的瓶頸：對固有導(dǎo)熱率、界面熱阻和理論的評述^[^4]

速覽：分析了導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料領(lǐng)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(dāng)前進展。

文章亮點

· 提出了導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料領(lǐng)域的瓶頸，并分析了相應(yīng)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(dāng)前進展。

· 預(yù)計未來的發(fā)展趨勢和需求將有助于導(dǎo)熱聚合物及其復(fù)合材料的發(fā)展。

研究背景

能源、電子、電氣設(shè)備和部件中熱量的快速積累會對其穩(wěn)定性和可靠性造成嚴(yán)重威脅。因此，研究和開發(fā)具有高導(dǎo)熱/耗散能力和優(yōu)異力學(xué)性能的聚合物及其復(fù)合材料，對于能源、電氣和電子技術(shù)領(lǐng)域的材料設(shè)計和擴展具有迫切的理論意義和實際應(yīng)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(xué)穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點而經(jīng)常用于相關(guān)領(lǐng)域。導(dǎo)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(jīng)通過上述兩種方法制備了多種導(dǎo)熱聚合物及其復(fù)合材料，但大部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)仍然難以達到預(yù)期，這已成為該領(lǐng)域的主要瓶頸。

研究內(nèi)容

本文作者Gu等人^[^4]長期專注于導(dǎo)熱聚合物及其復(fù)合材料的可控制造和內(nèi)部機理?；诠逃械母邔?dǎo)熱性、共混、復(fù)合和外場誘導(dǎo)加工，研究了“聚合物-界面-填料”的導(dǎo)熱性能和“分子鏈-導(dǎo)熱途徑-導(dǎo)熱率”之間的本構(gòu)關(guān)系，制備了一系列導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料和產(chǎn)品，并改進了導(dǎo)熱機制。

本篇綜述在前人研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了未來可采取的研究思路和方向，以突破導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料領(lǐng)域的瓶頸，

圖文詳情

突破導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料瓶頸的可能方向：

方向一：通過分子設(shè)計制備合成本征導(dǎo)熱聚合物，提高聚合物基體的本征導(dǎo)熱系數(shù)。在未來關(guān)于本征導(dǎo)熱聚合物的研究工作中，研究人員可以制備和合成本征導(dǎo)熱高性能工程聚合物，拓寬本征導(dǎo)熱聚合物的應(yīng)用范圍。通過合理的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)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(jié)構(gòu)的透視本征導(dǎo)熱聚合物示意圖

方向二：改善導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的界面，降低導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的界面熱阻（ITR）。國內(nèi)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(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的新形態(tài)和新特性，嘗試建立更通用的ITR數(shù)學(xué)模型，并加快與熱性能測量公司的深入合作，快速開發(fā)出多方面的研究成果和系統(tǒng)適用性強、通用性強的ITR測試方法和測量設(shè)備。

圖13 ITR_F-F和ITR_F-M示意圖

方向三：研究熱傳導(dǎo)模型和內(nèi)在機理。在熱傳導(dǎo)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(dǎo)模型，提高熱傳導(dǎo)模型與實驗結(jié)果的匹配程度。在未來高分子導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)機理研究工作中，有必要對高分子導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)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(dǎo)滲流行為，以開發(fā)導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)機制，并最終指導(dǎo)實驗和生產(chǎn)的優(yōu)化。

圖14 熱傳導(dǎo)模型示意圖

圖15 熱傳導(dǎo)路徑示意圖

參考文獻

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