1. 研究背景

现代电子设备向小型化、轻量化、多功能化发展，电磁干扰（EMI）影响设备精度与人体健康，亟需兼具轻质、高强高韧、高导电导热、高效屏蔽的材料。银纳米线（Ag NW）导电优异，芳纶纳米纤维（ANF）力学突出，二者复合存在渗流阈值高、力学与导电屏蔽性能难以同步提升的瓶颈，多层结构设计可解决性能矛盾，但微观结构精准调控困难。

2、主要内容

针对上述问题，安徽大学白玮教授、李士阔教授、潘晓锋副教授通过将芳纶纳米纤维（ANFs）与银纳米线（Ag NWs）整合到具有银纳米线顶层的高密度、排列良好的双层填充交叉层结构中，实现了拉伸强度（366 MPa）、韧性（78 MJ·m⁻³）、电导率（11363 S·cm⁻¹）、面内导热系数（10.4 W·m⁻¹·K⁻¹）和电磁干扰屏蔽效能（71 dB）的同步提升。值得注意的是，其单位厚度电磁干扰屏蔽效能高达59167 dB·cm⁻¹。此外，银纳米线-芳纶纳米纤维薄膜的致密双层结构赋予其出色的抗弯曲疲劳性能，保障了实际应用中的运行可靠性。该纳米复合薄膜的综合性能优于纯芳纶纳米纤维、单层银纳米线-芳纶纳米纤维、双层银纳米线-芳纶纳米纤维以及此前报道的电磁干扰屏蔽纳米复合材料。因此，该纳米复合薄膜优异的多功能性能使其成为先进电子设备中电磁干扰屏蔽材料的有力候选材料。相关研究内容以“Multifunctional Bilayer Ag NW‐ANF Nanocomposite Films with Excellent Mechanical and Electromagnetic Interference Shielding Properties”为题目，发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。

图 1 (a) DBAA 薄膜的制备工艺示意图。(b) 银纳米线（Ag NWs）的扫描电子显微镜（SEM）图像。(c) 芳纶纳米纤维（ANFs）的透射电子显微镜（TEM）图像。(d) DBAA-33 薄膜的截面 SEM 图像（DBAA-33 指在 32.6 MPa 下热压的 DBAA 薄膜，该样品在不同压力条件下展现出最优力学性能）。(e) BAA 薄膜（黑色曲线）与 DBAA 薄膜（红色曲线）的方位角（φ）曲线图。插图分别为 BAA 薄膜和 DBAA 薄膜的二维小角 X 射线散射（2D SAXS）图谱。(f) BAA 薄膜与 DBAA 薄膜的取向度。(g) BAA 薄膜与 DBAA 薄膜的层状结构孔隙率。

具有高密度层状结构的纳米复合材料制备

本文图 1a 展示了高密度双层交错结构银纳米线‑芳纶纳米纤维（DBAA）复合薄膜的制备流程。所合成的银纳米线（Ag NWs）直径为 108.7 nm，长度为 16.1 μm，具备高长径比，有利于提升芳纶纳米纤维（ANFs）基体的力学性能，并助力形成高效导电网络（图 1b）。芳纶纳米纤维由芳纶微纤维（AMFs，直径 13.4 μm）通过可控去质子化法制备得到，平均直径为 13.6 nm，表面富含酰胺基团（图 1c）。经机械搅拌预处理后，分散于 ANF 分散液中的 Ag NWs 获得了良好的分散稳定性。

研究采用喷涂辅助沉积法，以一定体积的均匀 Ag NW-ANF 分散液制备出单层交错结构 Ag NW‑ANF（SAA）复合薄膜。该结构由 ANFs 与 Ag NWs 在喷涂过程中相互搭接形成。随后，通过刮涂法在 SAA 薄膜表面制备均匀的 Ag NW 表层，得到双层交错结构 Ag NW‑ANF（BAA）复合薄膜。为进一步提升致密化程度与结构规整度，将 BAA 薄膜沿垂直于平面方向进行热压处理，最终获得具有典型高密度双层交错结构的纳米复合薄膜。该薄膜顶层与底层厚度分别约为 0.6 μm 和 11.1 μm（图 1d）。

图 2 不同银纳米线（Ag NW）含量的 SAA 薄膜的力学性能与界面表征。

力学与电学性能表征

为指导后续高性能双层纳米复合材料的制备，研究通过拉伸测试评估了不同银纳米线（Ag NW）添加量的单层交错结构（SAA）纳米复合薄膜的力学性能。

SAA-5 复合薄膜（Ag NW 含量 5 wt.%）展现出最优力学性能：抗拉强度 384 MPa、韧性 82 MJ m⁻³、杨氏模量 2.8 GPa、断裂伸长率 34%，较纯芳纶纳米纤维（ANF）薄膜分别显著提升 77%、116%、33% 与 21%。当 Ag NW 添加量增至 10 wt.% 时，SAA 薄膜力学性能下降至 315 MPa，主要原因是复合薄膜中银纳米线含量升高引发轻微团聚（图 2a、b）。此外，与纯 ANF 薄膜相比，SAA‑5 薄膜的撕裂力提升至 1.6 N，断裂能提升至 0.17 mJ，分别提高 45.5% 与 88.9%（图 2c）。

SAA‑5 复合材料力学性能的显著提升，主要源于银纳米线的高长径比与本征强度、ANF 与 PVP‑Ag NW 之间的强氢键界面及均匀分散，以及交错结构中 Ag NW 与 ANF 基体界面间高效的载荷传递与能量耗散（图 2h）。

图 3 BAA 与 DBAA 薄膜的力学性能及电导率（σ）。

为全面提升电导率（σ），研究通过刮涂法将 Ag NW 涂覆于 SAA 薄膜表面，构建双层交错结构（BAA）复合薄膜。图 3a 为不同 Ag NW 含量 BAA 薄膜的电导率。随 Ag NW 含量增加，电导率持续提升，但在 31.6%–76.9% 区间内，电导率相对 Ag NW 含量的增幅逐渐降低。原因是 Ag NW 含量由 31.6% 增至 76.9% 时，导电通路已基本形成，额外添加的银纳米线贡献减弱。当 BAA 复合薄膜中 Ag NW 含量为 31.6% 时，电导率增速达到最大，数值为 1548 S cm⁻¹。采用 BAA 复合薄膜连接发光二极管（LED）电路，灯泡可正常点亮，直接证实其高导电性（图 3a）。

对制备的 BAA 复合薄膜进行热压处理，以提高层状结构取向度并增强致密性。在32.6 MPa热压条件下，DBAA 薄膜获得最优力学性能：抗拉强度 366 MPa、韧性 78 MJ m⁻³、杨氏模量 3.3 GPa，较未热压样品分别提升约 21%、28% 与 14%（图 3b、c）。当压力超过 32.6 MPa，材料性能下降，可能是过度应力导致结构破坏。

DBAA 复合薄膜的撕裂力为 1.5 N，断裂能为 0.14 mJ，均高于未热压 BAA 薄膜（1.4 N、0.12 mJ）与纯 ANF 薄膜（1.1 N、0.09 mJ）（图 3d）。热压使顶层厚度由 3.2 μm 降至 0.6 μm，电导率较未热压样品大幅提升634%，达到11363 S cm⁻¹（图 3e）。经10000 次弯曲循环后，复合薄膜仍保留约 90% 的原始抗拉强度（329 MPa）与电导率（10045 S cm⁻¹），展现出优异的弯曲稳定性，可满足柔性电子器件可靠工作的需求（图 3g）。

图 4 不同纳米复合薄膜的电磁干扰屏蔽效能与导热性能。

电磁干扰屏蔽性能

图 4a 给出了 ANF、SAA‑5、BAA 及 DBAA 纳米复合薄膜的电磁干扰（EMI）屏蔽效能（SE）。DBAA 纳米复合薄膜在 X 波段（8.2–12.4 GHz）下的 EMI 屏蔽效能达到71 dB，不仅远超商用标准（20 dB）与本文制备的其他复合薄膜，同时满足军用标准要求（60–120 dB）。高导电表层、双层结构设计与热压致密化这一系列策略可有效提升 DBAA‑33 薄膜的屏蔽性能。DBAA‑33 薄膜的吸收屏蔽占比约 69%，表明吸收是其主要屏蔽机制。DBAA‑33 薄膜的SE R（21.7 dB）略低于 BAA 薄膜（24.4 dB），这是因为银纳米线层与 SAA‑5 层之间更大的导电性差异强化了界面损耗（图 4b）。

在 10000 次弯曲循环后，DBAA 纳米复合薄膜仍保持70.72 dB的高屏蔽效能，其中SE A为 48.09 dB，SER为 22.63 dB（图 4d），证明其电磁屏蔽性能具备出色的稳定性。DBAA 纳米复合薄膜的面内热导率达到 10.4 W m⁻¹ K⁻¹，分别比 SAA‑5 与 ANF 薄膜高 271% 与 333%（图 4g）。将其作为 10 W LED 与散热片之间的热界面材料时，银纳米线表层朝上的 DBAA‑33 薄膜在 90 s 时温度为 83.6 ℃，低于 ANF（97.0 ℃）、SAA‑5（96.6 ℃）及 SAA 层朝上的 DBAA‑33 薄膜（85.5 ℃）（图 4h）。这种优异的导热性能主要归功于银纳米线层相比 SAA 层更高的热导率，可更快地将热源热量导出并耗散。

图 5 DBAA-33 薄膜与已报道复合材料的多功能性能对比。

结论

综上所述，本研究通过喷雾辅助组装、刮涂及热压工艺，将银纳米线（Ag NWs）与芳纶纳米纤维（ANFs）构筑为以银纳米线为表层、结构取向与致密化程度显著提升的双层结构，成功实现了力学与电学性能的同步增强，制备出一种兼具轻质、高力学强度的新型纳米复合薄膜。该薄膜在强度、韧性、模量、电导率、热导率及电磁干扰屏蔽效能等方面均实现显著提升，且综合性能优于纯芳纶纳米纤维薄膜、单层银纳米线‑芳纶纳米纤维复合薄膜、双层银纳米线‑芳纶纳米纤维复合薄膜及多数已报道的屏蔽材料。

该致密双层银纳米线‑芳纶纳米纤维（DBAA）复合薄膜在10000 次弯曲循环后，仍能保持优异的力学性能、电导率与电磁屏蔽效能，可满足实际应用需求。其出色的综合性能，使该复合薄膜成为在通信、航空航天、人工智能、柔性可穿戴电子设备等高科技领域中极具应用前景的高性能电磁干扰屏蔽材料。

这种兼具高结构规整度与致密性的双层结构设计，不仅充分发挥了银纳米线与芳纶纳米纤维的材料优势，还实现了微观结构的精准优化，为其他高性能纳米复合材料的制备提供了极具参考价值的设计思路。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.75327