具有優(yōu)異導(dǎo)熱性、機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性和阻燃性的電絕緣PBOMXene薄膜

背景·金屬納米顆粒、石墨烯納米片（GNS）、碳納米管（CNT）和氮化硼納米片（BNNS）等高導(dǎo)熱納米填料在聚合物基導(dǎo)熱材料的制造中是必不可少的。雖然金屬顆粒、GNSs和CNTs可以在復(fù)合材料中形成有效的導(dǎo)熱通路，但它們的高導(dǎo)電性無法滿足電子器件的電絕緣要求。因此，具有優(yōu)異電絕緣性的聚合物/BNNS導(dǎo)熱復(fù)合材料更適合在電子設(shè)備中的應(yīng)用。然而，由于BN塊體中具有很強(qiáng)的夾層力，高質(zhì)量的BNNS不易制備，而且BNNS的惰性表面使復(fù)合材料難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱性和優(yōu)異的力學(xué)性能。超薄鈦合金3C2TxMXene納米片是一種新興的二維（2D）材料，具有豐富的表面官能團(tuán)，可以通過剝離Ti獲得3鋁化鋁2MAX相位，并已用于各種應(yīng)用，包括光催化、傳感器、電磁干擾屏蔽等。由1D聚合物納米纖維和2DMXene納米片通過模擬天然珍珠層結(jié)構(gòu)構(gòu)建的復(fù)合材料已被證明可以突破機(jī)械性能的障礙。Part1簡要介紹溶膠-凝膠-薄膜轉(zhuǎn)化法制備了聚對亞苯基-2,6-苯并雙噁唑（PBO）納米纖維和MXene納米片的類珍珠層復(fù)合薄膜。PBO納米纖維因其卓越的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、防火安全性和導(dǎo)熱性而被選中。實(shí)現(xiàn)了均勻凝膠化，提高了PBO納米纖維網(wǎng)絡(luò)的細(xì)度和魯棒性，減少了MXene納米片的聚集。由于優(yōu)化的磚和砂漿結(jié)構(gòu)和砌塊的固有性質(zhì)，納米復(fù)合薄膜同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高導(dǎo)熱性和理想的電絕緣性，這是以前沒有報(bào)道的。同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了卓越的強(qiáng)度和韌性，以及出色的熱穩(wěn)定性和阻燃性。這種高性能的導(dǎo)熱電絕緣薄膜使其成為以安全有效的方式管理電子設(shè)備熱量的理想材料。Part2PBO/MXene納米復(fù)合薄膜的制備策略與表征圖1a顯示了Ti的制備示意圖Ti3C2Tx通過蝕刻和剝離Ti的MXene最大相位。已經(jīng)獲得了厚度約為1.7nm的MXene納米片。X射線衍射（XRD）研究表明，脫落后MAX在9.51°處的（002）峰移至6.71°，證實(shí)了MXene的成功制備（圖1c)。PBO納米纖維的制備示意圖如圖在甲烷磺酸（MSA）和三氟乙酸（TFA）存在下，將商業(yè)PBO纖維（直徑約9.7μm）質(zhì)子化并剝離成PBO納米纖維。根據(jù)透射電子顯微鏡（TEM）圖像（圖1d），PBO納米纖維的平均直徑為17±1nm。圖1：PBO/MXene納米復(fù)合薄膜的制備與表征Part3PBO/MXene納米復(fù)合薄膜的力學(xué)性能由于PBO納米纖維網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)作用，復(fù)合膜的力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于純MXene膜。此外，與純PBO薄膜相比，在MXene含量為10%時(shí)，納米復(fù)合薄膜的力學(xué)性能得到有效改善。當(dāng)MXene含量為20%時(shí)，抗拉強(qiáng)度為416.7MPa，楊氏模量為9.1GPa，韌性為97.3MJm?3，分別是純PBO薄膜的1.40倍、1.54倍和1.63倍。MXene含量越高，機(jī)械性能逐漸降低，PM70甚至比PBO薄膜差。這是因?yàn)榇u和砂漿結(jié)構(gòu)因MXene的聚集而惡化。圖2：PBO/MXene納米復(fù)合薄膜的力學(xué)性能Part4PBO/MXene復(fù)合膜的導(dǎo)熱性能與電絕緣性由于PBO納米纖維的高結(jié)晶度和精細(xì)的3DPBO納米纖維網(wǎng)絡(luò)，大大減少了聲子散射。復(fù)合膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率隨MXene含量的增加而先增大后減小。作為一種良好的導(dǎo)熱體，MXene納米片在復(fù)合材料中起著導(dǎo)熱橋的作用，為PBO納米纖維之間的熱傳遞提供了快速的聲子/電子通道。與報(bào)道的MXene基導(dǎo)熱材料相比，PM10和PM20在抗拉強(qiáng)度、TC和電絕緣性方面同時(shí)實(shí)現(xiàn)了前所未有的突破。該復(fù)合薄膜還具有比大多數(shù)基于GNS/rGO的導(dǎo)熱材料更出色的拉伸強(qiáng)度和電絕緣性。圖3：PBO/MXene納米復(fù)合薄膜的熱穩(wěn)定性和阻燃性結(jié)論·綜上所述，采用溶膠-凝膠-薄膜轉(zhuǎn)化方法，采用質(zhì)子消耗均勻凝膠化工藝，成功制備了高性能PBO/MXene納米復(fù)合薄膜。得益于精細(xì)而堅(jiān)固的3D互連PBO/MXene網(wǎng)絡(luò)和形成的珍珠層狀分層結(jié)構(gòu)，MXene含量為20wt%的薄膜具有前所未有的機(jī)械性能。PBO