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海“纳”百川，见“微”知著：国产顶刊《纳微快报》2021年热点文章速览！

来源：测试GO 时间：2022-04-17 21:18:08 浏览：3024次

《Nano-Micro Letters》——中文名《纳微快报》，对于材料学领域的同学来说想必并不陌生。纳微快报是上海交通大学创办的英文学术期刊，主要报道与纳米/微米尺度相关的最新科技进展及评论性文章，旨在推动纳米/微米科技的创新发展。

自2012年获得第一个影响因子（IF=2.057）至今，纳微快报的影响因子一路突飞猛进，2021年最新IF高达16.419。目前，纳微快报俨然成为国产材料领域期刊的中流砥柱。在这里，笔者选取并为同学们分析了纳微快报在2021年仅有的四篇热点文章，希望能对同学们的研究有所参考。

01

轻质、柔韧的纤维素衍生碳气凝胶@还原氧化石墨烯/PDMS复合材料展现出优异的EMI屏蔽性能和热导率^[^1]

速览：通过氢键驱动自组装、凝胶化和冷冻干燥制备了三维交联的纤维素气凝胶，与rGO复合后实现了出色的电子干扰屏蔽能力。

文章亮点

· 通过氢键驱动自组装、凝胶化和冷冻干燥制备了纤维素气凝胶。

· CCA@rGO气凝胶的皮芯结构形成完美的三维双层导电网络。

· 使用3.05 wt% CCA@rGO可实现出色的EMI SE(51dB)，比共混复合材料高3.9倍。

研究背景

电子电气设备在给我们的生活带来极大便利的同时，也带来了日益严重的电磁污染（EMI），如电子噪声、电磁干扰和射频干扰等。这些电磁污染不仅会干扰其他电子元器件的正常使用，使电子设备无法正常工作，还会影响人体健康。因此，设计和开发轻质、经济、高效的EMI屏蔽材料对于解决电磁污染问题势在必行。

与传统的金属基EMI屏蔽复合材料相比，聚合物基EMI屏蔽复合材料以其重量轻、比强度高、易于成型加工、化学稳定性好、成本低、密封性能好等优点受到科学界和工业界的广泛关注。常用的聚合物基体有环氧树脂、酚醛树脂、聚偏二氟乙烯 (PVDF) 和聚二甲基硅氧烷 (PDMS)。

其中，PDMS具有良好的机械性能、耐高低温、优良的耐候性、化学稳定性和易于加工成型的优点，但为了达到理想的EMI屏蔽效果（EMI SE），通常需要较高的填料填充量。因此，需要进一步开发在低填料负载下具有优异EMI SE的PDMS基EMI屏蔽复合材料。

研究内容

本文作者Ping等人^[^1]采用了可再生的生物质原料，使用氢氧化钠/尿素溶液通过氢键驱动自组装溶解棉花得到纤维素溶液，再通过凝胶化和冷冻干燥制备纤维素气凝胶（CA）。在真空环境下将CA浸渍到氧化石墨烯（GO）溶液中，经过冻干制备CA@GO气凝胶，其中GO能够负载在CA骨架上。

然后在高温下碳化生成纤维素碳@还原氧化石墨烯（CCA@rGO）气凝胶，获得了负载rGO的CCA骨架。最后用PDMS回填制备CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽复合材料。在此基础上，研究了CCA和rGO负载对CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽复合材料的电导率、EMI SE、热导率、力学和热性能的影响。

图文详情

图1 CCA@rGO/PDMS EMI 屏蔽复合材料的制造过程

从形貌和结构来看，CA表现出由纤维素纤维相互缠绕而成的3D气凝胶结构，单根纤维具有相对规则的圆形棒状结构，直径约为12 μm。与CA不同的是， CCA的单根纤维具有扭绞状结构，直径约为6 μm，纤维缠结程度与棉花和预冷溶液的质量比相关，表明从CA到CCA的形态变化是由于纤维素碳化和含氧官能去除引起的。

此外，CCA@rGO是均质网络结构，CCA形成CCA@rGO的主框架，rGO薄片完全包裹纤维，形成类似于电缆的皮芯结构。rGO紧密包裹在CCA纤维之外，提供足够的结构稳定性。CCA核心为rGO片材提供附着点和支撑。PDMS回填后，CCA@rGO的皮芯结构完好保存，CCA@rGO的3D双层导电网络结构未受到明显破坏。同时，PDMS均匀分散在3D网络的间隙中。

图2 复合材料的SEM图像

图3-5分别展示了材料的EMI屏蔽性能、热导率、机械性能。当CCA@rGO的负载量为3.05 wt%时，CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽复合材料的EMI屏蔽效能（EMI SE）为51 dB，是共混CCA/rGO的3.9倍。

对于CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽复合材料，皮芯结构允许CCA@rGO形成具有高导电网络密度的3D双层导电网络结构，增强了入射电磁波和CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽复合材料之间的导电损耗和阻抗失配。

同时，rGO的引入导致出现更多的两相界面，这显着提高了CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽复合材料对入射电磁波的界面极化损耗能力。另外，CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽复合材料具有优异的热稳定性（T_HRI为178.3 ˚C）、良好的导热系数（λ为 0.65 W m^-1K^-1）和优异的机械性能（拉伸强度和硬度分别为4.1 MPa和42 HA）。优异的综合性能使CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽复合材料在轻质、柔性EMI屏蔽复合材料中的应用前景广阔。

图3 PCCA/PDMS和CCA/PDMS EMI屏蔽复合材料的屏蔽效果

图4 CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽复合材料的热学性能

图5 CCA@rGO/PDMS EMI屏蔽复合材料的机械性能

02

用于高强度锌离子电池的无机胶体电解质^[^2]

速览：开发了一种用于Zn/MnO₂电池高浓度无机胶体电解质，实现了正负两极的双重保护，获得了卓越的长循环稳定性。

文章亮点

· 采用无机胶体电解质的Zn/MnO₂电池实现1000次长耐久循环。

· 在正极侧形成保护膜，抑制锰元素的溶解和不可逆副产物的形成。

· 在负极侧辅助降低腐蚀和去溶剂化能量，抑制枝晶和不可逆副产物的生长。

研究背景

水系锌离子电池(ZIBs)的高能量密度、低成本和环保特性尤其适用于大规模固定式电能存储。不幸的是，ZIBs会发生枝晶生长、元素溶解和不可逆产物的形成等问题。为了解决这些问题，人们从电极关键材料入手，致力于开发新的正极材料和增强金属Zn电极的结构。

作为电池的重要组成部分，电解质为保证电池的长期稳定性和耐久性提供了基本的工作环境，开发高质量的电解质可以有效提高ZIBs的性能。最近的研究发现，使用“盐包水”策略制成的高浓度电解液可以有效提高电池的循环库伦效率、抑制枝晶产生。

然而，这一策略使用的高成本有机物，以及高浓度在低温下会发生盐析等问题，难以大规模应用。

研究内容

本文作者Gao等人设计了一种由坡缕石纳米无机材料诱导制备的新型无机高浓度胶体电解质（HCCE）来取代水性ZIBs的普通液体电解质。坡缕石具有链状结构和层状结构之间的中间结构，可同时对正极/负极提供强大的保护，从而有效抑制元素溶解、枝晶和不可逆产物的生长。

由于SO₄²⁻的限制，新型HCCE具有较高的Zn²⁺离子迁移数(0.64)，高离子电导率(1.1×10^–2 S cm^-1)和Zn²⁺离子扩散能力。HCCE可以同时促进阳极和阴极表面保护层的形成，从而抑制Mn的溶解，形成保存良好且无枝晶的金属Zn阳极。

Zn/HCCE/α-MnO₂电池在高电流密度和低电流密度下均表现出高耐久性，考虑到材料的可持续性和电池的高性能，这种胶体电解质可以提供超越ZIB的液态和全固态电解质的可行替代品。

图文详情

图6 HCCE的制备工艺和物化性质

图7-8展示了Zn/HCCE/α-MnO₂电池的电化学性能和HCCE电解质作用机理。从电化学性能来看，Zn/HCCE/α-MnO₂电池在高电流密度和低电流密度下均表现出高耐久性，具有约100%的高CE、稳定的电压平台和高容量保持率（200 mA g^-1下400次循环后容量保持率几乎为100%）。即使在1000 mA g^-1的高电流密度下，电池的充放电电压平台依然能够得到保持，经过200次循环后仍能提供近100%的容量保持率（206 mA g^-1）。

和其他电解质的ZIBs的循环次数和容量保持率对比，使用HCCE的电池显示出优越的电化学性能。从机理来看，HCCE可以形成保护层来保护ZIBs的正负极。保护层能有效抑制不可逆电极表面羟基硫酸锌的形成，与液体相比不会阻碍锌离子的传输。

更重要的是，它不仅可以抑制锰的溶解和阳极的腐蚀，降低去溶剂化能，而且提供更多的成核活性位点以保持Zn²⁺持续进行长时间的高可逆沉积/剥离反应，使得电极结构在循环中保存完好。

图7 HCCE的Zn/MnO₂电池的电化学性能

图8 HCCE的作用机理分析

03

用于隔热和微波吸收的环保多功能柚皮基碳气凝胶^[^3]

速览：制备了的柚子皮衍生的碳气凝胶用于屏蔽电磁干扰，同时计算模拟证明其可在真实远场条件下显著减小雷达截面。

文章亮点

· 采用冷冻干燥法制备了柚子皮衍生的碳气凝胶。

· 碳气凝胶具有保温、抗压、吸波等优良的综合性能。

· 计算模拟证明该材料可在真实远场条件下显著减小雷达截面。

研究背景

近年来，各种解决严重电磁污染问题的材料得到了广泛深入的研究。一般来说，这些材料分为两类：磁吸波材料和介电吸收材料。其中，磁吸波器的磁导率不仅会受到频率的干扰，而且不能满足轻量化要求。因此，开发介电吸收材料是实现轻量化电磁污染屏蔽器的理想选择。

尽管有多种介电微波吸收材料和电磁干扰(EMI)屏蔽材料已经得到广泛研究，但大部分工作仅仅着眼于扩大带宽和提高反射损耗强度，而在快速适应复杂的实际环境、设计纳米/微米/宏观结构以及可预测模拟雷达截面（RCS）等方面依然有所欠缺。因此，微波吸收材料的多功能应用和精细设计以及数值模拟具有广阔的前景。

研究内容

本文作者Gu等人^[^3]通过简便的冷冻干燥法和煅烧工艺，使用新鲜柚子皮制备了超轻碳气凝胶，形成多孔网络结构。碳气凝胶的最大压缩应力为2.435 kPa，可提供良好的耐久性。这种碳气凝胶在X波段具有−29.50 dB的最小反射损耗值（RL_min）。

同时，在相对较薄的厚度的情况下（1.7 mm），有效吸收带宽覆盖5.80 GHz。在检测θ为0°的情况下，可以实现16.28 dB m²的最大的RCS减小值。另外，文章使用的CST仿真策略不仅可以给微波吸收器的设计思路，而且可以节省实际操作的实验时间。这项工作为在RCS模拟的指导下制备从生物质原料衍生的多功能微波吸收剂铺平了道路。

图文详情

图9 柚子皮衍生碳气凝胶材料形成过程与SEM图像

冷冻干燥法保证了具有优异导电性的整体3D骨架结构的维持，一方面，生柚子皮中水升华留下的大量孔可以增加偶极子的数量以及偶极子极化，另一方面，高孔隙率有利于材料的轻量化。

图10-12展示了碳气凝胶的微波吸收特性和RCS仿真结果。碳气凝胶材料具有优异的隔热性能、力学性能和微波吸收能力。根据分析，多孔碳气凝胶的互连网络结构是提高微波吸收性能的关键。

首先，由偶极子迁移和外部电场的不相容性引起的强偶极子极化机制和弛豫机制有助于提高介电损耗能力。其次，基于生物质的碳网络的导电路径可以带来活跃的迁移电子和跳跃电子，可用于传导损耗特性。另外，足够的内部吸收行为可以增加碳气凝胶中微波能量的消耗。由于柚子皮衍生的碳气凝胶具有独特的三维骨架结构和高孔隙率，因此可以获得多条微波散射传播路径。

此外，RCS仿真结果证明，得到的气凝胶具有极好的雷达波衰减特性，可以抑制电磁波从PEC表面的散射和反射，证明了这种基于柚子皮的碳气凝胶的实用性。

图10 碳气凝胶的微波吸收特性

图11 RCS仿真结果

04

突破导热聚合物复合材料的瓶颈：对固有导热率、界面热阻和理论的评述^[^4]

速览：分析了导热高分子复合材料领域的研究瓶颈，并提出了三个主要的突破方向，介绍了这三个方向的当前进展。

文章亮点

· 提出了导热高分子复合材料领域的瓶颈，并分析了相应的原因。

· 提出了突破这些瓶颈的三个可能的方向，并说明了这三个方向的当前进展。

· 预计未来的发展趋势和需求将有助于导热聚合物及其复合材料的发展。

研究背景

能源、电子、电气设备和部件中热量的快速积累会对其稳定性和可靠性造成严重威胁。因此，研究和开发具有高导热/耗散能力和优异力学性能的聚合物及其复合材料，对于能源、电气和电子技术领域的材料设计和扩展具有迫切的理论意义和实际应用价值。

聚合物材料因其重量轻、比强度/模量高、易于加工、化学稳定性好、成本低等优点而经常用于相关领域。导热聚合物按制备工艺可分为本征型和填充型两种，到目前为止，许多研究人员已经通过上述两种方法制备了多种导热聚合物及其复合材料，但大部分材料的导热系数仍然难以达到预期，这已成为该领域的主要瓶颈。

研究内容

本文作者Gu等人^[^4]长期专注于导热聚合物及其复合材料的可控制造和内部机理。基于固有的高导热性、共混、复合和外场诱导加工，研究了“聚合物-界面-填料”的导热性能和“分子链-导热途径-导热率”之间的本构关系，制备了一系列导热聚合物复合材料和产品，并改进了导热机制。

本篇综述在前人研究经验的基础上，提出了未来可采取的研究思路和方向，以突破导热高分子复合材料领域的瓶颈，

图文详情

突破导热高分子复合材料瓶颈的可能方向：

方向一：通过分子设计制备合成本征导热聚合物，提高聚合物基体的本征导热系数。在未来关于本征导热聚合物的研究工作中，研究人员可以制备和合成本征导热高性能工程聚合物，拓宽本征导热聚合物的应用范围。通过合理的分子结构设计和优化的加工工艺来改善聚合物链的宏观有序性也是一个很好的方向。

图12 在微观和宏观水平上具有有序结构的透视本征导热聚合物示意图

方向二：改善导热聚合物复合材料的界面，降低导热聚合物复合材料的界面热阻（ITR）。国内外对ITR的研究大多不够深入。在未来的ITR研究工作中，研究人员将针对导热聚合物复合材料的新形态和新特性，尝试建立更通用的ITR数学模型，并加快与热性能测量公司的深入合作，快速开发出多方面的研究成果和系统适用性强、通用性强的ITR测试方法和测量设备。

图13 ITR_F-F和ITR_F-M示意图

方向三：研究热传导模型和内在机理。在热传导模型的未来研究工作中，需要充分考虑更多实际影响因素，将这些因素量化并引入热传导模型，提高热传导模型与实验结果的匹配程度。在未来高分子导热复合材料的热传导机理研究工作中，有必要对高分子导热复合材料的热传导途径的形成途径、方法和程度进行深入分析和探索，以及作为热传导渗流行为，以开发导热聚合物复合材料的热传导机制，并最终指导实验和生产的优化。

图14 热传导模型示意图

图15 热传导路径示意图

参考文献

[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]. 纳微快报：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]. 纳微快报：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]. 纳微快报：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]. 纳微快报：英文版, 2021, 13(7):9.

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