DOI: 10.1039/d3ta02175k

具有多种功能的高性能材料是现代电子设备的理想选择。受具有分层文石晶片/甲壳素纳米纤维/蛋白质三元结构的天然珍珠层的启发，本研究通过真空过滤将二维（2D）蒙脱石（MTM）纳米片和1D纤维素纳米纤维（CNFs）引入3D芳纶纳米纤维（ANF）框架中，制备了一种高强度纳米纸。所得的ANF/MTM/CNF纳米纸产生了创纪录的高拉伸强度（δc）（484.58MPa）和优异的韧性（εc）（53.70MJ/m3）。此外，Ag纳米线（AgNWs）的加入使纳米纸实现了较高的加热温度（高达～200℃）和令人满意的电磁干扰屏蔽效果（24.14dB）。而且，ANF/MTM/CNF/AgNW纳米纸保持了优异的机械性能，其δc和εc分别为488.48MPa和52.74MJ/m3。按重量标准化后，纳米纸的比拉伸强度达到359MPa·g-1·cm3，甚至优于商用钛合金（257MPa·g-1·cm3）。另外，该纳米纸具有出色的机械耐久性，在170℃下电加热1h后，仍能保持原始δc的93.69%。这种受生物启发的纳米纸为制备具有各种卓越功能的高机械强度纳米纸提供了一种新的方法，以满足高端电子产品的需求。

图1.（a1）ANF制备过程示意图。（a2）PPTA纤维的SEM图像。（a3）PPTA纤维和ANFs的XRD曲线的比较。（a4）ANFs的AFM图像。（a5）ANFs的直径分布。（b1）MTM纳米片的制备过程示意图。（b2）MTM块的SEM图像。（b3）MTM粉末和MTM纳米片的XRD曲线的比较。（b4）MTM纳米片的AFM图像。（b5）MTM纳米片的高度分布。（c1）CNF制备过程示意图。（c2）BSKP纤维的SEM图像。（c3）BSKP纤维和提取的CNFs的XRD曲线的比较。（c4）CNFs的AFM图像。（c5）CNFs的直径分布。

图2.（a）ANF/MTM/CNF纳米纸的制备过程示意图。（b1）纯ANF、ANF/MTM和ANF/MTM/CNF水悬浮液的剪切速率-粘度曲线。（b2）25℃时储能模量G′（实心符号）和损耗模量G〃（空心符号）与角频率ω的关系。（c）纳米纸的横截面微观结构。（d）纳米纸的XPS N1s光谱。（e）MTM纳米片以及ANF/MTM-3和ANF/MTM/CNF-2纳米纸的XPS Al2p光谱。（f）纳米纸的FTIR光谱。（g）MTM纳米片和纳米纸的XRD光谱。

图3.（a）纯ANF和ANF/MTM纳米纸的应力-应变曲线。（b）模量（Ec）和韧性（Uc）与MTM纳米片和ANFs重量比的函数关系。（c）ANF/MTM-3纳米纸中Al元素的SEM-EDS映射图像。（d）纯ANF、ANF/MTM-3纳米纸和ANF/MTM/CNF纳米纸的应力-应变曲线。（e）模量（Ec）和韧性（Uc）与CNFs和ANF/MTM-3复合材料重量比的函数关系。（f）ANF/MTM/CNF-2纳米纸中Al元素的SEM-EDS映射图像。

图4.（a-c）拉伸力学性能试验后纳米纸断裂位置的截面图像。（d）ANF/MTM/CNF复合材料的AFM图像。（e-f）断裂的（e）ANF/MTM-3和（f）ANF/MTM/CNF-2纳米纸表面的裂纹。

图5.（a）ANF/MTM/CNF/Ag纳米纸的制备过程示意图。（b）ANF/MTM/CNF/AgNW-0.2纳米纸的横截面微观结构。（c-d）ANF/MTM/CNF/AgNW-0.2纳米纸的表面图像。（e-g）ANF/MTM/CNF/AgNW-0.2纳米纸中Al和Ag元素的SEM-EDS映射图像。

图6.（a）各种纳米纸的应力-应变曲线。（b）模量（Ec）和韧性（Uc）与AgNW和ANF/MTM/CNF-2纳米纸克重比的函数关系。（c）ANF/MTM/CNF/AgNW纳米纸的照片，显示出卓越的刚度和强度。（d）聚合物、金属和高性能纤维材料与本研究开发的纳米纸的力学性能比较。（e）各种新型金属合金与ANF/MTM/CNF/AgNW-0.2纳米纸的拉伸强度比较。（f）基于ANF的纳米纸的拉伸应力（δc）和韧性（Uc）比较。（g）ANF/MTM/CNF/AgNW纳米纸的薄层电阻。（h-i）ANF/MTM/CNF/AgNW-0.2和ANF/MTM/CNF/AgNW-0.4纳米纸在多次纵向和横向弯曲过程中的实时相对电阻。

图7.（a-b）（a）ANF/MTM/CNF/AgNW-0.2和（b）ANF/MTM/CNF/AgNW-0.4纳米纸在不同电压下的时间依赖性温度分布。（c）饱和温度与U2的实验数据和线性拟合。（d）ANF/MTM/CNF/AgNW-0.2纳米纸在不同电压下的红外热图像。（e）ANF/MTM/CNF/AgNW-0.2和ANF/MTM/CNF/AgNW-0.4纳米纸在阶跃变化电压下的表面温度。（f）ANF/MTM/CNF/AgNW-0.2纳米纸在2.5V电压下多次纵向和横向弯曲过程中的红外热图像。（h）ANF/MTM/CNF/AgNW-0.2纳米纸在3.5V的恒定电压下持续5700s以及随后5个加载和卸载电压循环下的温度曲线。（i）ANF/MTM/CNF/AgNW-0.2纳米纸在3.5V的施加电压下持续2700s以及随后5个加载和卸载电压循环下的温度曲线，其中纳米纸经历了延长的电加热测试。

图8.（a）ANF/MTM/CNF/AgNW-0.2纳米纸在90、130和170℃下电加热1小时后的应力-应变曲线。（b）ANF/MTM/CNF/AgNW-0.2纳米纸折叠1000、4000、10000和20000次的应力-应变曲线。（c）纳米纸的折叠循环图解。（d）ANF/MTM/CNF/AgNW-0.2纳米纸的电气耐久性展示。（e）ANF/MTM/CNF/AgNW-0.2和ANF/MTM/CNF/AgNW-0.4纳米纸折叠数次的相对电阻。（f）本研究中几种纳米纸的耐折叠性。（g）ANF/MTM/CNF/AgNW纳米纸的EMI SE。（h）ANF/MTM/CNF/AgNW纳米纸的总EMI屏蔽效率（SET）、微波反射（SER）和微波吸收（SEA）。（i）ANF/MTM/CNF/AgNW纳米纸的EMI SE/t和SSE/t。（j）纳米纸的TG曲线。（k）测试前的纯ANF纳米纸和（l）测试后的各种纳米纸的图像。