随着5G网络的飞速发展，电磁污染问题日益突出。Ti3C2Tx卓越的电导率使其在电磁干扰（EMI）屏蔽方面具有巨大潜力。然而，其较差的力学性能限制了它的进一步应用。目前，改善Ti3C2Tx力学性能的主要方法是引入大量柔性聚合物，这会导致电导率急剧下降，进而影响EMI屏蔽性能。就聚合物基电磁干扰屏蔽材料而言，如何兼顾Ti3C2Tx基复合材料优异导电性能、高效电磁干扰屏蔽性能和良好力学性能是目前研究中面临的一大挑战。这极大限制了Ti3C2Tx基复合材料在实际场景中的应用。
近日，东北林业大学刘镇波教授与甘文涛教授团队在期刊《Journal of Colloid And Interface Science》上，发表了最新研究成果“Highly electroconductive and mechanically strong Ti3C2Tx/cellulose nanofiber composite paper with gradient structure for efficient electromagnetic interference shielding”。研究者利用并联电路中总电阻低于分电阻这一特性，将高电导率薄层与高强度厚层并联，制备出具有梯度结构的柔性Ti3C2Tx /纤维素纳米纤维复合纸（GS-TCCP）。这种设计不仅充分维持了高电导率层所具备的高效导电优势，使其能够持续发挥卓越的导电性能，而且切实保留了高强度层强韧的特性。此外，梯度结构独特的层间反射和层内吸收机制也进一步提高了电磁干扰屏蔽效能（SE）。GS-TCCP（Ti3C2Tx含量为38.33 wt%，厚度75μm）不仅具有13110 S/m的高电导率和强大的力学性能（拉伸强度为78.2 MPa，韧性为4.019 MJ/m3），而且在X波段（8.2—12.4 GHz）的EMI SE达46.8 dB，电磁干扰屏蔽效率高达99.998%，与Ti3C2Tx含量为50 wt%的均质Ti3C2Tx/CNF复合纸相当，且优于大多数已报道的Ti3C2Tx基薄膜复合材料。导电性能、EMI屏蔽性能和力学性能之间的均衡使其在电磁干扰屏蔽、柔性传感以及柔性电子元件等领域具有广阔的应用前景。
（1）使用HF和HCl混合酸刻蚀Ti3AlC2 MAX相，获得手风琴状形貌的多层Ti3C2Tx（图1 b），使用LiCl溶液中的Li+进行插层，扩大片层间距。通过反复“手摇震荡+离心”的方式促进单层Ti3C2Tx纳米片剥离。最终，采用差速离心法获得大片径Ti3C2Tx纳米片。对使用SEM随机拍摄的330个Ti3C2Tx纳米片的横向尺寸进行统计分析，平均横向尺寸为6.16 μm。
图1大片径Ti3C2Tx纳米片的制备和表征
（2）分别采用真空辅助过滤自组装工艺和交替真空辅助过滤自组装工艺制备出一系列均质Ti3C2Tx/CNF复合纸（H-TCCP）和梯度结构Ti3C2Tx/CNF复合纸（GS-TCCP）。
图2 H-TCCPs和GS-TCCPs的制备
（3）由于大片径Ti3C2Tx纳米片得天独厚的尺寸优势，在CNFs中更容易实现有效的接触，有助于削弱CNFs电绝缘特性带来的负面影响。与其他Ti3C2Tx基复合薄膜相比，表现出更高的电导率。四种GS-TCCPs中，电导率最高为321.0 S/cm，最低为131.1 S/cm，差异不大。研究者构建了相应的数学模型（图3 g）进行了充分解释：函数曲线表明，随着高强度层电阻的不断增大，复合纸的整体电导率无限接近一个特定数值，这种变化趋势与实测结果保持一致。
图3 H-TCCPs和GS-TCCPs的导电性能
H-TCCPs随着CNF含量的增加，EMI SE逐渐降低，最高为83.9 dB，最低为26.8 dB；GS-TCCPs最高EMI SE为55.5 dB，最低为42.9 dB，总屏蔽效率均在99.99%以上，这主要归因于梯度结构层间反射和层内吸收的电磁波损耗机制。所制备的Ti3C2Tx/CNF复合纸的EMI SE超过绝大多数的Ti3C2Tx基薄膜复合材料。
图4 H-TCCPs和GS-TCCPs的电磁干扰屏蔽性能
H-TCCPs的力学性能随着CNF含量的增加而增加，最大拉伸强度为130.6 MPa，最大韧性为9.998 MJ/m3，远高于纯Ti3C2Tx纸。这归功于CNFs和Ti3C2Tx纳米片之间的氢键相互作用和高长径比的CNFs对Ti3C2Tx所受应力的分散。GS-TCCPs的拉伸强度最高为78.2 MPa，最低为47.9 MPa，韧性最大为4.019 MJ/m3，最小为1.207 MJ/m3，均可满足大多数领域的使用要求。GS-TCCPs之所以具有良好的力学性能一方面是由于高强度层本身出色的力学性能，另一方面是由于基于层间摩擦的能量损耗机制对外力提供能量的损耗。
图5 H-TCCPs和GS-TCCPs的力学性能
总体来看，相比于H-TCCPs，GS-TCCPs表现出更为卓越的综合性能，集高电导率、高电磁屏蔽性能和高力学性能于一身，在诸如柔性电极、柔性传感、电磁屏蔽甚至包括太空探索在内的极端环境中具有广泛应用前景。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.03.005
