盡管許多聚合物基復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的介電常數(shù)，但它們在各種應(yīng)用中的介電性能受到界面空間充電和漏電流引起的高介電損耗的嚴(yán)重阻礙。在此，我們證明將熔鹽蝕刻的 MXene 嵌入聚（偏二氟乙烯 - 三氟乙烯 - 氯氟乙烯）（P（VDF - TrFE - CFE））/聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）混合基質(zhì)中會引起強(qiáng)烈的界面相互作用，形成緊密的界面相互作用。 -填充內(nèi)部聚合物層，導(dǎo)致介電損耗顯著抑制，介電常數(shù)在較寬的頻率范圍內(nèi)顯著增加。 MXene 中密集的電負(fù)性功能末端（-O 和 -Cl）引起的強(qiáng)烈分子相互作用導(dǎo)致聚合物鏈運(yùn)動(dòng)受限和分子排列密集，從而減少了移動(dòng)電荷載流子的傳輸。因此，與純聚合物相比，含有 2.8 wt% MXene 填料的復(fù)合材料的介電常數(shù)從~52 增加到~180，并且在 1 kHz 下介電損耗保持在相同值（~0.06）。我們證明介電損耗的抑制很大程度上是由于 MXene 和聚合物基體之間形成了密堆積界面。
圖1. Ti3C2Tx MXene 的設(shè)計(jì)策略和表征。 (a) 使用路易斯酸蝕刻法合成 Ti3C2TX MXene 薄片，然后進(jìn)行 TMAOH 分層的示意圖。分層 Ti3C2TX MXene 薄片的 (b) TEM 和 (c, d) HRTEM 圖像。 (e) Ti3AlC2 MAX 相、塊體 Ti3C2Tx MXene 和分層 Ti3C2Tx MXene 的 XRD 圖案。 Ti3C2TX MXene 的 (f) Cl 2p 和 (g) O 1s XPS 譜。
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圖2. MXene/聚合物復(fù)合材料的表征。 (a) P(VDF-TrFE-CFE) 三元共聚物的化學(xué)式和分子結(jié)構(gòu)。不同 MXene 摻雜濃度的聚合物/MXene 復(fù)合材料的 (b) XRD 圖譜和 (c) FTIR 光譜。 (d) 通過超薄切片法切割的聚合物/MXene 樣品的 TEM 圖像。 (e, f) 聚合物/MXene 復(fù)合材料的 HRTEM 圖像，顯示 Ti3C2TX MXene 薄片的層狀原子排列。
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圖3. MXene/聚合物復(fù)合材料的 WAXS 分析結(jié)果。 (a) 具有不同 MXene 負(fù)載量的三元共聚物、TP 和 TPMC 的 1D WAXS 剖面。 (b) 當(dāng) PMMA 和 MXene 依次與不同的負(fù)載濃度混合時(shí)，三元共聚物在 q = 1.30 Å–1 時(shí)散射強(qiáng)度的演變。 (c–i) 具有不同 MXene 負(fù)載量的三元共聚物、TP 和 TPMC 的 2D WAXS 剖面。
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圖4. WAXS 曲線擬合。 (a-g) 不同 MXene 負(fù)載量的三元共聚物、TP 和 TPMC 的 1D WAXS 剖面曲線擬合。 (h) 原始結(jié)晶三元共聚物（峰 1）、無定形三元共聚物（峰 2）和密堆積三元共聚物（峰 3）的 q 值。 (i) 復(fù)合材料中不同三元共聚物構(gòu)型的 d 間距。
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圖5. 復(fù)合材料的介電性能。聚合物/MXene 復(fù)合材料的 (a) 介電常數(shù)和 (b) 損耗角正切與頻率的關(guān)系。 (c) 比較在室溫和 1 kHz 下測量的聚合物/MXene 復(fù)合材料的介電常數(shù)和相應(yīng)介電損耗的條形圖。 (d) 介電常數(shù)和介電損耗對 MXene 含量 (wt%) 的依賴性。 (e) 具有不同 MXene 負(fù)載量的聚合物/MXene 復(fù)合材料的電導(dǎo)率。插圖：聚合物樹突提供的電荷載流子額外傳輸隧道的示意圖。 (f) MXene 表面上三種不同 P(VDF-TrFE-CFE) 鏈構(gòu)象的示意圖。
相關(guān)科研成果由阿卜杜拉國王科技大學(xué)Xixiang Zhang，Husam N. Alshareef等人于2024年發(fā)表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00475）上。原文：Suppressing Dielectric Loss in MXene/Polymer Nanocomposites through Interfacial Interactions
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00475
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
