MXene及其复合材料在吸波和导热领域的研究进展

何一丹，章晓娟，杨红娟，赵萌萌，温变英

（北京工商大学化学与材料工程学院，北京 100048）

0 前言

随着信息技术的迅猛发展，人们对电磁波的利用愈加频繁，如无线电广播、雷达、手机、电视等设备都依靠电磁波进行工作，近些年物联网概念的提出更加强调了电磁波的重要性。然而，电磁波在保证人们生活质量的同时也带来了许多问题，如万物互联环境下，电子信号的产生、传输和接收过程繁杂，导致电磁环境日趋复杂，不可避免地会出现电磁污染、电磁干扰和信息泄露等问题[1-3]；此外，由于微电子技术的应用，使得电子产品正在向着高集成化和轻薄化方向发展，伴随工作频率的不断增加，电子器件会产生大量热量，容易导致一些对温度敏感的元器件失效，据统计，电子元器件温度每升高2℃，其工作可靠性会下降10%[4]，未来多功能集成化电子设备的发展瓶颈很可能源于其产生的电磁辐射和热量[5]。因此，设计开发高性能吸波材料和导热材料是解决此类问题的有效途径之一，它们不仅能够有效降低电磁辐射污染、保证设备在运行中的工作可靠性且延长设备使用寿命，而且对于提升电子设备的抗电磁干扰能力和散热能力具有不可替代的作用[3]。

近些年来，基于石墨烯、碳纳米管、MXene等纳米材料开发具有吸波或导热功能的复合材料逐渐成为研究热点，其中有关MXene的研究更是当前最热门的方向之一。MXene是2011年新发现的新型二维纳米材料[6]，通过刻蚀方式将前相MAX中的A层去除得到。MAX可以写作Mn+1AXn，其中M为早期过渡金属元素，A为第三或第四主族元素，X为C或N或CN，n为1、2、3或4[6-7]。M-X之间的键合力大于M-A的键合力，因此采取合适的处理方法可以去掉A层得到M-X结构[8]，其具有的二维层状结构和多样化表面官能团（—F、—O、—OH、—Cl等）[9]使MXene被广泛应用于吸波和导热领域。

鉴于此，本文结合吸波和导热机理的相关分析，综述了近些年来MXene及其复合材料在吸波和导热领域的研究进展和具体应用，为后续制备吸波/导热一体化材料提供理论基础和研究思路。

1 吸波及导热机理

1.1 吸波机理

在电磁波的传输过程中，当入射电磁波接触到材料表面后，其中一部分会继续传输进入材料，另一部分则会在材料的表面发生反射。进入材料的电磁波可能会在材料内部不断反射，也可能继续传输到外界[10]。电磁波同时含有电场和磁场，可以诱导吸波材料与其相互作用，由于一个电磁场和介质相互作用产生扰动，另一个电磁场会产生感应电流和感应磁场，在电流和磁场的对抗中消耗能量，削弱电磁波，在传播时电磁波会发生介电损耗和磁损耗等使电磁能转化成热和光能等其他形式的能量[11]。吸波材料在开发时应该减少电磁波被反射的概率，使自由空间与材料表面之间阻抗匹配，并且提高入射电磁波的介电损耗和磁损耗[12]。

通常利用介电损耗因子tanδε和磁损耗因子tanδμ表示能量损耗，计算公式如式（1）～（2）所示[10]：

式中ε′——材料介电常数的实部

ε′′——材料介电常数的虚部

μ′——材料磁导率的实部

μ′′——材料磁导率的虚部

由此可见，增大ε′′与μ′′可以增大介电损耗和磁损耗，但是不能保证此时达到良好的阻抗匹配，要满足阻抗匹配，需要εr和μr尽可能接近，因此在设计时要综合考虑增大损耗和满足阻抗匹配的要求，理想的吸波材料应满足εr=μr且ε′′和μ′′趋近于无穷大[13-14]。

为了衡量材料的吸波性能，当电磁波在材料表面发生反射时，反射系数R和传输线法计算的反射损耗RL表达式如式（3）～（4）所示[15]：

式中Zin——吸波材料表面输入阻抗

Z0——自由空间的波阻抗

当归一化阻抗Z的值为1时，反射系数R为0，反射损耗RL趋近于负无穷，表示电磁波会完全进入材料内部，不会发生反射，没有反射损耗，但这是一个理想情况，在实际的研究中只能尽量保持Zin与Z0相等。当RL＜-10 dB时，认为有90%及以上的电磁波可以被材料吸收，所对应的频率范围被称为有效吸收频宽[16-17]。

1.2 导热机理

热量传递是热量自发地由高温物体传输到低温物体或从同一个物体的高温部分传输到低温部分的现象。热量传递是一个复杂的过程，通常有热辐射、热对流和热传导3种基本方式，热传导是固体主要的传热方式[18]。固体导热材料传热一般是通过光子、电子和声子等传热载体通过接触或碰撞的形式将能量转移给相邻的传热载体。以聚合物为例，如图1所示，聚合物晶区中的原子规律排列，紧密连接，略微振动，热量可以沿分子链方向快速传递，而在无定形或半结晶区，原子排列不紧密，分子振动和晶格振动不协调，热量传递相对晶区较缓慢。声子在聚合物晶区的传热效率较高，相较于非晶区有更大的热导率，所以结晶聚合物的热导率比无定形聚合物的热导率更高[19]。

图1 聚合物内部声子导热示意图[19]Fig.1 Schematic diagram of phonon thermal conduction inside the polymer[19]

为了进一步提高聚合物的导热性能，一种行之有效的方法是往其中加入导热填料，对于填充型聚合物基复合材料而言，公认的导热理论是导热通路学说。聚合物作为连续相有着巨大的热阻，导热填料的热阻较低，热流会沿着导热填料从高温向低温传递[20-21]。导热填料填充率低时，在聚合物中分散存在，并不互相连接，被聚合物基体完全包裹，形成“海-岛”结构，热量依然靠基体进行传递；继续添加导热填料，使填充率升高，在这个过程中，分散的导热填料逐渐开始连接，构成部分通路，成为局部导热链或导热网络；进一步加大填料含量后，局部的导热链和导热网络逐渐连接，在基体内部形成贯穿的通路，材料的导热性能将出现显著提升[22]。

2 MXene及其复合材料在吸波领域的研究进展

相比于传统吸波材料，MXene作为一种能与其他材料复合的新型二维类石墨烯材料，具有重要的研究价值。MXene在微波吸收方面有着巨大的潜力，原因在于：（1）MXene具有数量可控的层状结构，层间结构能够实现电磁波在材料之间的多次反射和散射，并且可以通过不同的制备方式来实现多层材料层间距的调节，单层和少层材料还可以为构建三维结构提供基础条件[23]；（2）MXene具有高导电率，容易导致其具有较强的介电损耗[24]；（3）MXene刻蚀过程中会产生表面缺陷和官能团，这些缺陷和官能团在电磁场作用下会产生偶极子，使材料的介电损耗能力进一步提升[25]。然而，MXene的高导电性容易导致界面反射高、阻抗匹配差，因此，为了提高MXene纳米材料的阻抗匹配和电磁衰减能力，常将MXene与其他材料复合以提高微波吸收性能。

2.1 MXene吸波材料

目前有关MXene吸波材料的研究主要集中于改变刻蚀条件或改变材料结构来调控吸波性能，例如耿欣等[26]采用氢氟酸（HF）溶液腐蚀Ti3AlC2中Al原子层的方式制备MXene，通过调节HF含量、反应温度和反应时间制备出4种不同纯度的MXene材料，其中由10%HF刻蚀出的样品记为L1和L2，反应温度分别是10℃和16℃，相应的反应时间分别为7 h和6 h，MXene的转化率达到91.8%和95%；而由40%HF刻蚀的样品为H1和H2，H1的制备条件是31℃下反应24 h，转化率为97.4%，H2的制备条件是40℃下反应48 h，转化率为96.9%。通过对其吸波性能进行测试发现：当厚度为3.5 mm时，H1和H2样品的最低反射损耗值（RLmin）分别在2.8 GHz和4.2 GHz处达到-7.5 dB和-6 dB；而L1和L2样品在厚度为2 mm时，RLmin分别在13.5 GHz和14.5 GHz处达到-35 dB和-16 dB，由此可见，MXene的刻蚀条件与吸波性能密切相关。此外，冯强等[27]同样采用40%HF刻蚀制备出二维多层结构的Ti3C2TxMX-ene 粉末，如图2（a）和（b）所示，在刻蚀前MAX为块状结构，无分层，刻蚀后的MXene呈现出典型的手风琴结构，层与层之间有一定间隙。将制得的MXene与石蜡混合制样测定其电磁参数并计算反射损耗，图 2（c）和（d）表明Ti3C2Tx的填充量和试样厚度是影响吸波性能的重要因素，当Ti3C2Tx的添加量为30%（质量分数，下同）、匹配厚度为2 mm时，样品的RLmin在12.72 GHz处达到-27.15 dB，且有效吸收带宽能够达到7.12 GHz，覆盖了整个Ku波段；但当Ti3C2Tx添加量增加到50%时，样品的RL值在任何厚度下均高于-6 dB，表明样品的吸波能力非常弱，这主要是由于添加的Ti3C2Tx含量过高，使得介电常数过大造成阻抗不匹配导致的。

图2 MAX和MXene的SEM照片以及不同Ti3C2Tx含量下试样的反射损耗曲线[27]Fig.2 SEM image of MAX and MXene as well as reflection loss curves within different contents of Ti3C2Tx[27]

此外，Tong等[28]发现刻蚀时间对MXene的电导率和吸波性能也具有显著影响，他们以石蜡为基体，研究了不同MXene含量下吸波性能的差异，结果表明在刻蚀时间为24 h时样品的吸波性能最佳，当厚度为1.7 mm、Ti3C2Tx含量为55%时，样品的RLmin为-42.5 dB，有效吸收带宽达到5 GHz。除了研究MXene本身的吸波性能之外，万艳君等[29]通过对刻蚀制备MXene后剩余的废弃沉淀进行收集、干燥，随后放入管式炉，在N2气氛下以400～1 000℃、1～5 h的条件进行炭化，得到新的吸波材料，这种方法不仅能够更加有效地利用成本较高的MXene材料，而且还减少了资源浪费，进一步有利于MXene吸波材料在实际生产生活中的推广应用。

除了改变刻蚀条件，研究发现调控结构也能显著改善吸波性能，例如Zhou等[30]研究了单层Ti3C2TxMXene的电磁响应行为，与层压Ti3C2TxMXene相比，单层Ti3C2TxMXene的偶极极化、界面极化和传导损耗获得增强，这对基于MXene吸波材料的未来发展具有重要意义。Zhang等[31]通过反复浇筑干燥的方法制备出具有独特梯度结构的MXene材料，这种材料具有3层，分别是阻抗匹配层、损耗层和反射层，由MXene和聚乙烯醇（PVA）基体组成。不同于单层结构，梯度结构主要依靠优化阻抗匹配来提高材料的吸波性能，结果表明当损耗层的介电常数接近阻抗匹配层和反射层的平均介电常数时，复合材料的RL可以达到最低值，且损耗层的介电常数越低，梯度结构的总厚度越薄。

2.2 MXene复合吸波材料

将MXene与其他材料进行复合是提升吸波性能的有效途径之一，目前常与MXene复合的材料归纳起来主要有电损耗材料、磁损耗材料和多组分损耗材料。其中，MXene/电损耗复合材料主要可以通过MXene与碳材料、陶瓷基材料以及导电聚合物材料等复合形成[23]。例如Li等[32]使用氧化石墨烯（GO）和MXene（Ti3C2Tx）通过快速冷冻辅助静电纺丝制成复合材料Ti3C2TxMX-ene/GO混合气凝胶微球（M/GAMS），结合GO与MX-ene间存在电导率差异，以及新生成的异质界面和表面基团，进一步优化了阻抗匹配特性，获得了良好的吸波性能。当在石蜡基体中填充量为10%、样品厚度为1.2 mm时，M/GAMS在14.2 GHz处的RLmin为-49.1 dB。此外，碳纳米管也作为常用碳材料与MXene进行复合，如Cui等[33]采用超声波喷涂技术将一维羧化碳纳米管（CCNTs）和二维Ti3C2TxMXene纳米片组装成三维多孔MXene/C-CNTs微球（MCM），随后经过真空炭化处理，研究不同质量比对吸波性能的影响。当MXene与C-CNTs炭化前质量比为3∶1时吸波性能最优，经炭化后，MCM在石蜡中的含量为30%时的RLmin在10 GHz时达到-45 dB（2.7 mm），当厚度变为1.9 mm时，其有效吸收带宽达到4.9 GHz。除构建常规三维结构外，也可以构建其他复杂形貌以提高复合材料的吸波性能，Yue等[34]通过化学气相沉积的方法在超低温条件下使Ti3C2TxMXene表面原位生长出竹状结构的碳纳米管，在CNT/MXene外还包覆有一层螺旋状的碳纳米纤维，研究不同加热温度对吸波性能的影响，研究结果表明，当样品含量为40%、厚度为2.5 mm、加热温度为450℃时的CNT/MXene复合材料表现出最优的吸波性能，其RLmin在2.16 GHz下达到-52.26 dB。

除了与碳材料进行复合外，MXene也常与陶瓷基材料复合来提高吸波能力。例如Guo等[35]通过Stöber方法构建具有独特核心-边缘（core-rim）结构的MXene/SiO2片状复合材料，MXene与SiO2复合使界面损耗增加，阻抗匹配得到优化，且SiO2涂层厚度可调，有利于平衡表面阻抗，防止微波反射。厚度仅为0.95 mm的MXene/SiO2纳米片在17 GHz时的RLmin为-52.9 dB，有效吸收带宽为4.9 GHz。此外，SiC也是常用的陶瓷基材料之一，如图3（a）所示，Ma等[36]通过静电自组装的方法制备出SiC/MXene异质纳米线，微观形貌如图3（b）和（c）所示，随后使用溶液浇筑和热压的方法将SiCnw/MXene与聚偏氟乙烯（PVDF）进行复合。通过对其吸波性能测试发现：当SiCnw/MXene填料在PVDF中的含量为20%、样品厚度为1.45 mm时，其RLmin在15.68 GHz处高达-75.8 dB，有效吸收带宽为4.4 GHz。此外，MX-ene与导电聚合物复合制备MXene/电损耗复合材料也十分常见，Liu等[37]利用导电的PPy微球改性MXene（Ti3C2Tx），制备出具有独特分层结构的复合材料，由于PPy与MXene之间存在协同作用，二者复合后材料的吸波性能相较于MXene有所提高，以石蜡作为基体，当填料含量为10%、厚度为3.6 mm时，复合材料在7.6 GHz条件下的RLmin为-49.5 dB，有效吸收带宽为5.14 GHz，当厚度降至2.7 mm时有效吸收带宽能达到6.63 GHz。除了PPy，聚苯胺（PANI）也是常用的导电聚合物之一，有研究者利用原位氧化聚合法制备出MXene/PANI纳米复合材料，通过吸波测试发现由于MXene和PANI的介电特性以及MXene和PANI之间的协同效应，使得这一复合材料具有优异的吸波性能[38-39]。为了获得轻质吸波材料，Shi等[40]通过自组装工艺制备出一种新型3D分层多孔Ti3C2TxMXene/PANI复合材料，这种多孔结构有利于构建出完整的导电网络，同时含有多个异质层面，便于优化阻抗匹配特性，提高材料的吸波性能。

图3 PVDF/SiCnw/MXene复合材料的制备流程图及微观形貌照片[36]Fig.3 Fabrication flow diagram，SEM and TEM images of PVDF/SiCnw/MXene[36]

除了与电损耗材料复合，MXene还可以与磁性金属粒子或磁性氧化物等材料复合构建MXene/磁损耗复合材料。Liang等[41]采用共溶剂热法，在MXene表面均匀原位生长了尺寸可控的镍纳米颗粒，研究结果表明引入镍纳米颗粒后，复合材料具有优良的吸波性能，当PVDF基体中含量为10%、MXene与镍纳米粒子质量比为8∶1、厚度为2 mm时，有效吸收带宽可以达到6.1 GHz。还有He等[42]首次通过原位水热法制备出磁性FeCo修饰MXene（Ti3C2Tx），当这种材料在石蜡基体中的含量为70%、样品厚度仅为1.6 mm时，有效吸收频段能够宽至8.8 GHz，通过对其吸波机理研究发现，掺入磁性FeCo粒子后界面增多，有利于增强界面极化作用，此外，磁性粒子掺入后出现的自然共振对磁损耗也有贡献，从而进一步优化阻抗匹配特性获得超宽频吸波性能，使得该材料在吸波领域具有极大竞争力。

此外，近年来有关MXene/多组分电磁损耗材料也获得了人们的广泛研究。Han等[43]将MXene与有机金属框架（Co-MOF和Ni-MOF）通过静电自组装工艺进行复合，随后进行高温热解，制备出手风琴状的MXene/Co-CZIF和MXene/Ni-CZIF复合材料。在石蜡基体中，填料量为50%条件下，MXene/Co-CZIF在7.36 GHz处的RLmin为-60.09 dB，有效吸收带宽为9.3 GHz，而MX-ene/Ni-CZIF在5.12 GHz处的RLmin为-64.11 dB，有效吸收带宽为4.56 GHz，这一研究为使用MOF和MXene合成高性能吸波材料提供了一种新思路。此外，Wen等[44]利用氢键作用在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）外包覆MXene片，随后将其作为高密度Ni纳米尖峰的定向生长基底，形成典型的海胆结构，其形貌和制备流程分别如图4（a）、（b）和（c）所示。由于复合材料的3D结构、电磁协同效应和Ni纳米尖峰的磁各向异性，使得这一材料具有良好的吸波性能，当样品厚度为1.5 mm时，该材料在15.76 GHz处RLmin为-59.6 dB，有效吸收带宽达到4.48 GHz[图4（d）]。

图4 3D PMMA/MXene/Ni微球的TEM照片和制备流程图以及不同厚度下PMMA/MXene/Ni的反射损耗曲线[44]Fig.4 TEM image，fabrication process and reflection loss curve of PMMA/MXene/Ni within different thicknesses[44]

还有Yuan[45]等利用MXene和核壳NiFe2O4/SiO2纳米颗粒构建了一种类三明治结构的复合材料，二维层状的MXene与NiFe2O4/SiO2纳米颗粒具有协同作用，其中的SiO2又使阻抗匹配进一步得到优化。在石蜡基体中，含量为30%条件下，该材料在11.6 GHz时的RLmin为-52.8 dB，此时厚度为2 mm，最大有效吸收带宽达到7.2 GHz。另外，Gao等[46]结合一步水热法和原位聚合法合成了Ti3C2Tx/TiO2/PANI多层复合材料，其中Ti3C2Tx的独特多层结构和大比表面积能够提供更多的电子传输路径，表面生长出的TiO2和PANI能够进一步增强界面极化，结合Ti3C2Tx、TiO2与PANI三者之间的协同效应，使得这种复合材料具有优异的吸波性能，当复合材料与石蜡基体的质量比为1∶3、厚度为2.18 mm时，样品的RLmin为-65.61 dB，且在厚度为2.10 mm时的有效吸收带宽达到5.92 GHz。除此之外，还有PPy/Fe3O4/MXene[47]、MXene/CNTs/Fe3O4[48]、MXene/MnO2/Ni[49]等材料也具有优异的吸波能力。

3 MXene及其复合材料在导热领域的研究进展

随着5G时代的到来，各类电子元器件散热功能无法满足更高要求。因此，电子元器件及设备的散热问题亟待解决，对高导热材料的需求迫在眉睫[50]。由于层状结构具有原子层依次堆积、层内原子结合较强而层间以较弱范德华力结合的各向异性空间结构特点，使得层状结构材料往往具有良好的导热性能，并且可以通过层间剥离、原子替换、元素掺杂或插层等手段来调节层间距、层间作用力以及组分/结构来调控原有材料体系的物理化学性能，因此获得了研究者的广泛关注[51]。

3.1 MXene导热材料

现阶段对于MXene导热材料的研究主要集中在改善MXene材料自身缺陷和作为填料应用于其他基体材料中来提高材料导热性能。例如，Nguyen等[52]通过铂（Pt）发生的气相渗透作用来改善MXene中的Ti缺陷，创建共价Pt—C键作为构建连接MXene薄片的桥梁，增加了导热通道，使面内热导率显著增加1.8倍，横截面热导率提高5倍，同时也使MXene的电性能和力学性能获得提高。由于MXene独特的层状结构有利于导热，因此常常作为填料被应用于聚合物基体，如陈德家等[53]用标准溶液共混法将化学刻蚀法得到的MXene与硅橡胶复合，该复合材料的热导率最高可达到1.32 W/（m·K）（MXene的含量为2.00%），相比于纯硅橡胶而言提高了4.55倍，此外MX-ene/硅橡胶复合材料的力学性能和热稳定性也得到显著提高，这一材料有望应用于电子元器件及设备中，用以提升散热效率。还有Wang等[54]结合单向冷冻干燥和真空辅助浸渍方法成功将MXene和聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行复合，制备出具有三维互连结构的3D-MXene/PDMS复合材料，研究其在0～3.5%填料负载范围内的导热性能，结果表明由于MXene骨架逐渐互连，热导率首先随着MXene含量的增加而迅速增大，当MXene含量为2.5%时热导率达到0.576 W/（m·K），相比纯PDMS提高了约220%，进一步增加MXene含量后，热导率开始出现下降，当填充量大于3.0%后，由于过量的MXene薄片会阻碍沿厚度方向的取向，沿厚度方向的薄片连接减少，且MXene填充量高导致真空辅助浸渍难度增加，有可能引入空隙，使得热导率大幅下降。此外，Lu等[55]利用真空浸渍使MXene与聚乙二醇（PEG）复合，作为骨架的MX-ene具有二维结构，这种结构有利于传热，测试结果表明PEG/MXene的热导率为 2.052 W/（m·K），大约是纯PEG的7.2倍，由此证明加入MXene后能够明显提高PEG的热导率。

3.2 MXene复合导热材料

将MXene与其他材料复合是提高材料导热能力的方法之一。例如，Ji等[56]通过低温焊接使Ag纳米粒子在剥离的MXene纳米片上进行原位修饰，随后通过冰模板合成出3D导热气凝胶，再与环氧树脂复合成纳米薄膜，其中MXene/Ag片充当骨架和导热通道，在15.1%的负载量下，面内的热导率为1.79 W/（m·K），面间的热导率达到2.65 W/（m·K），分别比纯环氧树脂高895%和1 225%，由此证明MXene和Ag纳米粒子的掺杂能够有效地提高环氧树脂的热导率。另外，退火前后，复合材料的热导率也存在显著差异，这表示Ag纳米粒子的低温焊接对构建导热通道有一定作用，将这种复合薄膜应用于小米8背面和Dell计算机CPU进行散热时能够表现出优异的散热能力。除此之外，Ag纳米粒子的引入也增强了复合材料的力学性能，从而为电子产品散热部件的开发提供了新思路。Liu等[57]通过过滤MXene和GO分散液并对其进行还原和热焊接处理制备出柔性石墨烯/MXene（GM）薄膜，将MXene插入到石墨烯的层间，能够进一步增强界面相互作用，减少界面散射，有利于热量传递。将GM薄膜作为LED超薄散热片来检验其散热能力，放置GM薄膜前，LED的热点温度高达82.6℃，放置GM薄膜后，LED表面温度下降到71.9℃[图5（a）和（b）]，表明GM薄膜在实际应用中具有出色的散热能力。通过对其导热性能进行测试发现：GM薄膜的面内热导率高达26.49 W/（m·K），相较于GO/MXene膜有大幅提高，导热能力增强，如图5（c）和（d）所示，同时其热边界电阻也从1.54×10-8m2·K/W降低至8.81×10-10m2·K/W。此外，GM薄膜还具有出色的阻燃性能，燃烧后依然保持初始形状，因此适用于电子设备的散热冷却装置中。

图5 GM薄膜的热红外成像图以及不同MXene含量下GO/MXene和GM薄膜的热导率和TCE图[56]Fig.5 IR thermal image of GM film and thermal conductivity and TCE of GO/MXene and GM film within different contents of MXene[56]

还有 Li等[58]将 MXene与石墨烯纳米板（GNP）添加到PVDF基体中制备出层状薄膜，MXene与GNP在PVDF基体中构建出直接接触的面内热传导网络，MXene/GNP-PVDF复合薄膜在面内热导率上表现出协同增强，高于仅具有MXene或GNP的复合薄膜。除此之外，Lee等[59]将MXene与聚硅氮烷包覆的ABN（聚集氮化硼）同时添加到聚乙烯醇（PVA）中制成复合膜，其中聚硅氮烷形成热传导通路，MXene作为支撑骨架，使得热导率得到进一步提高。研究结果表明，总填料含量为44%时，面间和面内热导率分别为1.51 W/（m·K）和4.28 W/（m·K）。Qin等[60]在真空辅助过滤作用下将Ti3C2MXene片材、铜颗粒与纤维素纳米纤维（CNF）制成复合膜，MXene中的羧基与纤维素纳米纤维的羟基发生酯化反应，连接起来成为膜的主骨架。由于MXene与铜颗粒具有协同作用，且MXene/Cu/CNF薄膜内部构建出连续导热网络，使得该复合材料热导率获得明显提高，测试结果表明复合膜的面内热导率可以达到24.96 W/（m·K），相较于纯纳米纤维膜提高了2 819.2%；面外热导率能够达到2.46 W/（m·K），相较于纯纤维素纳米纤维膜提高了187.6%，由此证明该复合膜在面内和面外都具备优良的导热能力。Jia等[61]采用微囊化技术制备出包覆MXene的聚磷酸铵（MAPP），随后将其与聚氨酯（PU）/石墨纤维（GF）复合制成PU/GF/MAPP薄膜。与PU/GF薄膜相比，PU/GF/MAPP薄膜的热导率提高了59.3%，电导率提高了57.7%，在先进微电子系统中具有广阔的应用前景。

4 MXene与吸波/导热一体化材料研究

当前，电子器件的高集成度和轻薄化发展趋势导致在狭小的空间内同时添加吸波和导热材料变得更加困难[3，62]，为了满足现代电子设备在防电磁干扰和散热方面的需求，开发同时具有吸波和导热功能的复合材料十分必要。目前研发吸波/导热一体化材料的常规方法主要是添加吸波和导热填料，例如有研究者在硫化硅橡胶中同时添加吸波剂羰基铁粉和导热剂氧化铝，获得吸波/导热一体化材料[3]，这种方式通常需要向基体中添加大量的功能性颗粒填料，这不仅会直接损害复合材料的力学性能，而且也会造成加工困难和制造成本上升。因此，研究开发新型吸波/导热一体化材料势在必行。

结合MXene自身的优异性质及其在吸波和导热领域的广泛应用，对MXene纳米材料进行组分或结构改性将是未来发展高性能吸波/导热一体化材料的一个重要研究方向。目前，Li等[63]制备了一种聚偏氟乙烯/钴（Co）/MXene复合泡沫材料，制备流程如图6（a）所示，其中引入的MXene部分被氧化并转化为TiO2和无定形碳，这种材料相较于原始MXene更加利于介电极化，有助于获得阻抗匹配，通过研究不同添加量对材料吸波性能的影响，发现当添加6%的MXene和6%的Co时，复合材料的吸波性能最好，在4 mm厚度下的RLmin为-45.6 dB[图6（b）]。此外，TiO2晶格结构的有序排列和发泡后材料内导热通路的增加能够显著提升热导率，结果表明发泡后材料的热导率比相应的固体复合膜高2～6倍[图6（c）]，由此实现了吸波/导热功能一体化。除了组分改性，构建三维导通结构对于提升复合材料的吸波和导热性能起着至关重要的作用，研究表明在聚合物基体内部建立三维导通网络结构有助于形成导电和导热通路。例如，曹勇等[64]公开发明了一种三维吸波导热增强复合膜及其制备方法，他们将石墨烯包覆的纳米金刚石粒子、硅烷偶联剂和溶剂混合并进行超声分散，随后对氧化石墨烯/MXene薄膜进行激光阵列打孔，最后将含石墨烯包覆纳米金刚石粒子的溶液灌入通孔内干燥，制得兼具吸波和导热功能的薄膜。这种复合膜不仅在横向和纵向都具有一定的热导率，而且兼具良好的吸波性能和力学强度。张卫东等[65]制备了一种集吸波、导热于一体的纳米复合材料，他们将通过煅烧法制备的氮化硼（BN）纳米片均匀插层到吸波填料（MoS2或者MXene）纳米片之间制得一种微观结构属于类“三明治”结构的纳米复合材料，这种材料的制备条件温和、操作步骤简单，能够为目前开发吸波/导热一体化纳米复合材料提供一种新思路。然而，从目前的研究结果来看，利用MXene及其复合材料获得吸波和导热功能兼备的研究不多，未来还需要进一步加大研究力度。

图6 PVDF/Co/MXene复合泡沫材料的制备流程图和反射损耗曲线图以及不同MXene含量下发泡前后的热导率对比图[63]Fig.6 Fabrication process，reflection loss curves of PVDF/Co/MXene composite foam and comparison of thermal conductivity before and after foaming with different contents of MXene[63]

5 结语

综上，吸波和导热材料在电子元件制造加工与应用方面具有重要作用，一方面可以避免电磁干扰的出现，另一方面能够有效解决电子元件散热慢的问题。针对MXene材料自身优良的电性能，对其进行组分或结构改性制备吸波/导热功能一体化材料已成为当下极具发展前景的研究方向之一，但是由于吸波和导热的相关机理差异明显，且现阶段合成技术尚未成熟，因此目前制备出的MXene吸波/导热功能一体化材料并不多，未来的研究重点在于尝试设计更适合与MXene复合的其他组分材料或构建新型宏/微观结构，以此实现吸波/导热功能一体化。

虽然有关MXene及其复合材料在吸波和导热领域已取得了一系列进展，但是仍然存在需要改进的地方，具体如下：（1）现阶段MXene的产率较低，价格偏高，不利于今后的工业化生产。因此，在后续的研究中应寻求更加绿色、高效的合成方法以适应未来发展；（2）目前用于吸波和导热领域的MXene材料大多为Ti3C2Tx，种类较为单一，未来需要尝试更多种类的MXene材料进行相关研究；（3）单纯在吸波或导热领域研究的MX-ene及其复合材料相对较多，但是对于双功能一体化复合材料的研究相对空白，为了满足未来电子设备的使用需求，研发多功能化材料是必然趋势；（4）为了制备吸波/导热一体化材料，加深对吸波和导热相关机理的研究十分必要，通过相应理论来指导材料的设计与改性更为有效。