1、PAGE 21 -芳綸納米纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用芳綸是以芳香族大分子原料經(jīng)縮聚紡絲制得的線性高分子纖維，具有機(jī)械性能強(qiáng)、質(zhì)量輕、耐酸堿等優(yōu)異性能，分為間位芳綸和對(duì)位芳綸1。間位芳綸（PMIA）全稱為聚間苯二甲酰間苯二胺纖維，常稱為芳綸1313纖維，由于間位芳綸聚合導(dǎo)致得到的聚合物呈鋸齒狀，強(qiáng)度模量都略低于對(duì)位芳綸，所以本文所介紹的芳綸以對(duì)位芳綸為主。對(duì)位芳綸（PPTA）全稱為聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維，常稱為芳綸1414纖維，其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。PPTA分子以一種網(wǎng)狀相互交聯(lián)的形式結(jié)晶成高聚物，分子鏈中被苯環(huán)分離的酰胺基團(tuán)與苯環(huán)形成了-共軛結(jié)構(gòu)，內(nèi)旋位能高，使分子鏈呈現(xiàn)為剛性的平面棒狀

2、1。以PPTA為原料利用造紙技術(shù)制備出的功能性薄膜材料，由于具有很好的抗沖擊性、阻燃性和熱穩(wěn)定性，因此被廣泛用于航空航天材料及軍事領(lǐng)域。但由于纖維表面光滑，缺少化學(xué)活性基團(tuán)，限制了其在納米復(fù)合材料中的應(yīng)用2。芳綸納米纖維（ANFs）是將芳綸纖維通過(guò)處理制成的直徑為十幾到幾百納米、長(zhǎng)度為幾至幾十微米的納米化纖維3。ANFs作為一種高分子纖維，分子間可以通過(guò)氫鍵作用結(jié)合制成芳綸納米紙或芳綸納米膜，由于具有較強(qiáng)的力學(xué)性能和良好的高溫穩(wěn)定性，被廣泛用于特種紙的制備及航空航天重要的結(jié)構(gòu)減重與耐高溫材料。ANFs既保留了芳綸纖維的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)，又具有較大的比表面積與長(zhǎng)徑比，因此可以與其他材料進(jìn)行復(fù)合

3、，在電池隔膜、復(fù)合增強(qiáng)材料和柔性電極等多個(gè)領(lǐng)域都顯示出一定的應(yīng)用潛能與發(fā)展前景。圖1對(duì)位芳綸的分子結(jié)構(gòu)圖Fig.1Molecularstructureofpara-aramid柔性電子器件以其獨(dú)特的柔性、延展性和高效、低成本的制造工藝，在信息能源、醫(yī)療和國(guó)防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用4。將納米纖維材料與導(dǎo)電復(fù)合材料結(jié)合制作柔性、可穿戴電子器件已成為近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)。由于ANFs具有良好的力學(xué)性能，以及纖維表面豐富的酰胺基團(tuán)，其與導(dǎo)電材料復(fù)合應(yīng)用在電磁屏蔽、傳感、電化學(xué)儲(chǔ)能等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。本文對(duì)比總結(jié)了芳綸納米纖維的制備方法和芳綸納米纖維與不同的碳材料、金屬材料和導(dǎo)電聚合物結(jié)合形成導(dǎo)電復(fù)

4、合材料的制備方法，并且介紹了其在電磁屏蔽、超級(jí)電容器、壓力傳感器及氧還原電催化領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)芳綸納米纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。1芳綸納米纖維的制備1.1靜電紡絲法靜電紡絲是一種常見(jiàn)的制備聚合物納米纖維的技術(shù)，其原理是在強(qiáng)電場(chǎng)作用下高分子聚合物被賦予一定加速度得以拉伸噴射形成小液滴，高速射流溶劑受到電場(chǎng)的作用不斷揮發(fā)，帶電液滴間的靜電排斥力也不斷增大，最終導(dǎo)致細(xì)化分裂，形成了靜電紡絲纖維5。Yao等人6利用改裝后的靜電紡絲設(shè)備，將PPTA纖維在濃硫酸中進(jìn)行溶解，形成紡絲液，然后經(jīng)輔助加熱后在高壓電場(chǎng)的作用下以射流形式噴出，最后在水浴鍋中固化成形。但紡絲液的濃度會(huì)影響ANFs的

5、成形且不易控制，制備出的產(chǎn)量也比較低。為了解決這一難題，Gonzalez等人7利用浸入式旋轉(zhuǎn)噴射紡絲（iRJS）方法成功制備出ANFs，施加高離心力代替高壓電，將聚合物溶液擠出形成細(xì)流狀的納米纖維，在控制纖維尺寸和產(chǎn)量方面取得了很大的進(jìn)步。然而，靜電紡絲法仍然存在設(shè)備會(huì)被強(qiáng)酸腐蝕以及高能耗等問(wèn)題，不適用于大批量制備ANFs。1.2機(jī)械輔助制備機(jī)械輔助制備的ANFs通常不破壞化學(xué)結(jié)構(gòu)，能保持其原有的優(yōu)異力學(xué)性能、耐高溫性能和化學(xué)穩(wěn)定性。Ifuku等人8通過(guò)在NaOH的條件下對(duì)PPTA纖維進(jìn)行機(jī)械處理，制備出由對(duì)位微晶組成的ANFs。在靜電排斥力的作用下分解成納米纖維，具有優(yōu)異的比表面積和機(jī)械性能

6、。通過(guò)過(guò)濾和熱壓的方法制備的ANFs薄膜的平均楊氏模量、拉伸強(qiáng)度和應(yīng)變分別達(dá)2.0GPa、26.8MPa和1.5%。但這種方法即使在堿性水解預(yù)處理的輔助下，PPTA分子鏈之間的強(qiáng)分子間力和高結(jié)晶度也會(huì)導(dǎo)致不均勻的原纖化處理。因此，這種以節(jié)能方式制備高強(qiáng)度ANFs的方法在實(shí)際應(yīng)用中受到極大的限制。1.3堿溶法去質(zhì)子化堿溶法制備芳綸納米纖維屬于化學(xué)法且具有低能耗的優(yōu)勢(shì)。Takayanagi等人9發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)堿（NaOH）和有機(jī)溶劑（DMSO）的條件下，PPTA中的酰胺鍵會(huì)發(fā)生去質(zhì)子化形成深紅色凝膠狀的Na+PPTA溶液，稱其為PPTA聚陰離子。Burch等人10-11在此基礎(chǔ)上研究PPTA聚陰離子的成

7、形機(jī)理，通過(guò)加入去質(zhì)子供體（如去離子水）就可以使PPTA聚陰離子發(fā)生質(zhì)子化還原反應(yīng)形成PPTA凝膠膜，但早期對(duì)PPTA的研究?jī)H限于機(jī)理方面。Yang等人12將宏觀的芳綸纖維在強(qiáng)堿與DMSO條件下攪拌7天，得到深紅色纖維溶液，成功地制得了直徑在330nm且長(zhǎng)度高達(dá)10m的均勻PPTA納米纖維，首次命名其為ANFs。KOH/DMSO強(qiáng)堿體系可以定向破壞纖維間的氫鍵作用，同時(shí)使酰胺鍵上的NH鍵斷裂發(fā)生去質(zhì)子化反應(yīng)并帶有負(fù)電荷，最終ANFs在靜電排斥、-共軛效應(yīng)及范德華力的作用下形成均勻透明的ANFs/DMSO溶液。Cao等人13將對(duì)位芳綸浸泡在KOH/DMSO中，制備出均勻的ANFs分散體，用磷酸水

8、解并用戊二醛進(jìn)行交聯(lián)，通過(guò)真空輔助過(guò)濾將ANFs制成宏觀的薄膜。但通過(guò)去質(zhì)子化方法制備ANFs仍然存在缺點(diǎn)，如制備周期長(zhǎng)，制備效率低等。Koo等人14利用單體對(duì)苯二甲酰胺聚合合成ANFs，這種方法將制備時(shí)間縮短至15h，與最初的去質(zhì)子化方法（7天左右）相比效率提高了很多。Yang等人15為縮短ANFs的制備周期，提高ANFs的制備效率，提出了纖顫、超聲破碎、質(zhì)子給體輔助去質(zhì)子3種方法來(lái)處理纖維（如圖2所示），可以在12h內(nèi)獲得濃度高達(dá)4.0%的ANFs，當(dāng)加入質(zhì)子供體后，制備過(guò)程可以在4h左右完成，減少了大量的藥品消耗，降低了生產(chǎn)成本。這種新方法使ANFs的制備更加可行、省時(shí)、有效，促進(jìn)了以A

9、NFs為基底實(shí)現(xiàn)功能化和智能化應(yīng)用的發(fā)展。圖2ANFs制備方法示意圖15Fig.2SchematicillustrationoffabricationmethodsforANFs152芳綸納米纖維與導(dǎo)電材料復(fù)合的類型芳綸納米纖維由于其良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的耐腐蝕性，常和導(dǎo)電材料復(fù)合應(yīng)用。本文中介紹了3種與導(dǎo)電材料復(fù)合的類型。2.1與碳材料復(fù)合2.1.1碳納米管碳納米管（CNTs）具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、強(qiáng)的力學(xué)性能、高穩(wěn)定性以及質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。Hu等人16將ANFs、CNTs和疏水性氟碳樹(shù)脂（FC）組成了多功能氣凝膠薄膜（如圖3所示），該膜通過(guò)將CNTs分散到ANFs溶液中，混合均勻進(jìn)行凍干，最后使用

10、FC樹(shù)脂覆于表面作疏水涂層，該方法制成的薄膜具有堅(jiān)固的機(jī)械性能，可以任意彎曲和扭曲，疏水性能優(yōu)異，可用于潮濕環(huán)境，可作自清結(jié)功能的材料；電加熱性能良好；電磁屏蔽性能優(yōu)異。碳納米管也可以改善二維材料石墨烯的堆積，Patel等人17將碳納米管引入還原氧化石墨烯（rGO）/ANFs中，防止rGO片材聚集，并通過(guò)增加孔的數(shù)量或調(diào)節(jié)孔的大小，提高電容的保持率和能量密度，而rGO的分散所引起的機(jī)械強(qiáng)度不足的缺點(diǎn)也因?yàn)榧尤肓薃NFs得到了改善。圖3FC-ANFs/CNT混合氣凝膠膜的制備、結(jié)構(gòu)組成及其多功能性16Fig.3Schematicofthefabricationandstructuralcompo

11、sitionoftheFC-ANFs/CNThybridaerogelfilmanditsmultifunctionality162.1.2石墨烯除了一維碳材料，芳綸納米纖維還可以與二維碳材料（比如石墨烯納米片）組合成復(fù)合材料。石墨烯納米片由于缺乏官能團(tuán)，很難加工成自組裝結(jié)構(gòu)18，而ANFs由于表面的酰胺基團(tuán)，被用來(lái)與石墨烯結(jié)合改善以上的缺點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，由ANFs-石墨烯制成的巴基紙顯示出優(yōu)異的拉伸性能19。Kwon等人20和Flouda等人21報(bào)道采用真空過(guò)濾法制備還原氧化石墨烯（rGO）-ANFs巴基紙電極，具有優(yōu)異的機(jī)械性能和電學(xué)性能，可用于超級(jí)電容器的應(yīng)用。Sas等人22利用膠體溶膠-凝

12、膠自組裝方法23制備了石墨烯（GO）和ANFs結(jié)合的高剪切模量水凝膠電極，利用GO納米片和ANFs之間的強(qiáng)氫鍵和-堆疊作用，實(shí)現(xiàn)了水凝膠的高剪切模量。GO與ANFs的協(xié)同作用表現(xiàn)為GO-ANFs（質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%）復(fù)合材料的剪切模量（349kPa）比凈GO水凝膠（193kPa）提高了80%。這是首次報(bào)道將ANFs結(jié)構(gòu)作為石墨烯水凝膠的填料，用于電化學(xué)儲(chǔ)能的超級(jí)電容器電極。Flouda等人24利用功能化的rGO與ANFs薄片的仿珍珠結(jié)構(gòu)做超級(jí)電容器電極，利用多巴胺分子在弱堿條件下自聚合產(chǎn)生聚多巴胺，多巴胺的胺基與GO里的環(huán)氧基反應(yīng)生成多巴胺功能化的GO-DOPA，與ANFs混合抽濾成復(fù)合膜，再加入C

13、a2+離子進(jìn)行熱還原，通過(guò)功能化rGO，改善了“硬”rGO和“軟”聚合物之間的附著力25，具有優(yōu)異的機(jī)械性能。這種方法也適用于其他模擬珍珠層的結(jié)構(gòu)，為多功能材料提供一種新的思路。2.2與金屬材料復(fù)合2.2.1金屬納米顆粒相比于碳材料，金屬納米填料與芳綸納米纖維基底結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)在于其電導(dǎo)率要高很多。目前，不同種類、不同尺寸的金屬納米顆粒已被成功合成，并廣泛應(yīng)用于電學(xué)、傳感器等領(lǐng)域的研究中。其中金納米顆粒（AuNPs）和銀納米顆粒（AgNPs）由于合成方法簡(jiǎn)單快速，納米顆粒穩(wěn)定、不易被氧化，粒徑分布窄等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用26。Lyu等人1利用還原劑或溶劑合成導(dǎo)電填料-AuNPs與AgNPs，并與ANF

14、s結(jié)合，制備出柔性導(dǎo)電薄膜。采用真空抽濾法將AuNPs加載到具有多孔結(jié)構(gòu)的ANFs薄膜內(nèi)部，以薄膜為濾膜抽濾時(shí)，溶液中的AuNPs被ANFs薄膜截留下來(lái)，AuNPs并不是填充在薄膜多孔結(jié)構(gòu)的空隙中，而是在氫鍵作用下沿著纖維的表面排列。當(dāng)AuNPs的量增多后，顆粒與顆粒之間相互連接，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。Au/ANFs薄膜的電導(dǎo)率可以達(dá)到103S/cm，又有機(jī)械強(qiáng)度高的ANFs作為支撐，抗拉強(qiáng)度達(dá)100MPa左右。Lyu等人1使用旋涂法制備出帶有大孔的ANFs-EtOH凝膠，以硼氫化鈉為還原劑、聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）為穩(wěn)定劑制備出AgNPs27，隨后用真空抽濾法將AgNPs和ANFs-EtOH凝膠復(fù)

15、合，干燥后得到柔性導(dǎo)電的Ag/ANFs薄膜。其中，AgNPs包裹在ANFs上形成導(dǎo)電通路，電導(dǎo)率隨Ag含量的增加而升高。2.2.2MXenesMXenes材料是一種具有親水表面的新型二維化合物，由于具有高比表面積、優(yōu)良的電導(dǎo)率、化學(xué)活性表面和強(qiáng)電磁波吸收等特性，在微波吸收和電磁屏蔽材料中具有巨大的潛力28。然而，相鄰的2DMXenes納米片間的范德華相互作用導(dǎo)致材料較差的力學(xué)性能和脆性，限制了其在商業(yè)方面的應(yīng)用。由于ANFs具有較強(qiáng)的機(jī)械性能，近年來(lái)與MXenes結(jié)合大大增強(qiáng)了其力學(xué)性能。Lei等人29將ANFs與MXenes復(fù)合，如圖4(a)所示，利用鹽酸和氟化鋰刻蝕、剝離出MXenes納米

16、片，通過(guò)調(diào)控DMSO和H2O的比例得到棒狀A(yù)NFs，并通過(guò)真空抽率法制備出具有仿貽貝結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜。如圖4(b)、圖4(c)所示，純ANFs薄膜具有較高的應(yīng)力應(yīng)變值，研究調(diào)控至質(zhì)量比MXeneANFs=46時(shí)，該復(fù)合薄膜具有極其優(yōu)異的力學(xué)拉伸性能（300.5MPa）和極高的楊氏模量（13.6GPa），并且即使在歷經(jīng)了10000次左右的折疊后，其力學(xué)性能仍然能夠保持穩(wěn)定。Ma等人30通過(guò)簡(jiǎn)易的兩步真空輔助過(guò)濾（TVAF）法和熱壓法，制備了具有雙層結(jié)構(gòu)的超柔性和高機(jī)械強(qiáng)度的ANFs-MXene/AgNW納米復(fù)合紙，以1D的AgNWs為導(dǎo)電骨架與2D的MXenes薄層組成高導(dǎo)電層，在ANFs為基底的

17、納米紙上構(gòu)建了連續(xù)且高效的3DMXene/AgNW導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使雙層納米復(fù)合紙?jiān)谥貜?fù)彎曲和拉伸過(guò)程中同時(shí)顯示出極高的導(dǎo)電性（922.0S/cm）和優(yōu)異的電穩(wěn)定性。圖4MXene/ANFs復(fù)合薄膜的制備及性能29Fig.4PreparationandpropertiesofMXene/ANFscompositefilms29Wang等人31將MXene納米片與芳綸納米纖維結(jié)合得到“泥-磚”結(jié)構(gòu)的氣凝膠，MXene表面成功引入大量的氫鍵并最終在復(fù)合氣凝膠中形成穩(wěn)定的組合。將二者混合、抽濾、冷凍干燥，最終得到密度僅為25mg/cm3的復(fù)合氣凝膠。ANFs之間存在較強(qiáng)的氫鍵，在氣凝膠中起強(qiáng)度支撐、分散劑

18、和保護(hù)層的作用，MXene起導(dǎo)電填料和粘結(jié)點(diǎn)的作用。二者中單相組分過(guò)高時(shí)，氣凝膠都表現(xiàn)出松散的大氣孔結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)二者含量適中時(shí)，氣凝膠表現(xiàn)出“泥-磚”結(jié)構(gòu)，且層與層之間相互連接。通過(guò)測(cè)試，隨著MXene含量的增加，氣凝膠表現(xiàn)出的電流變化逐漸變大，具有高回彈性、耐高溫、靈敏度高的特點(diǎn)。Xie等人32制備了一種超薄的、具有良好機(jī)械強(qiáng)度的芳綸復(fù)合紙，同樣由于MXenes與ANFs之間存在良好的界面附著力，有機(jī)組分“砂漿”和無(wú)機(jī)組分“磚”在真空輔助抽濾過(guò)程中形成了多層結(jié)構(gòu)，這既保證了應(yīng)力傳遞，又有利于氫鍵的重建，解決了MXenes材料機(jī)械性能差的問(wèn)題。2.3與導(dǎo)電聚合物材料復(fù)合導(dǎo)電聚合物與ANFs結(jié)合

19、后的導(dǎo)電復(fù)合材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，可以在較大范圍內(nèi)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)其機(jī)械性能與導(dǎo)電性等，并且它的化學(xué)穩(wěn)定性良好，易于成型和大批量生產(chǎn)。2.3.1聚吡咯聚吡咯（PPy）是一種常見(jiàn)的導(dǎo)電聚合物，具有高導(dǎo)電性、良好的環(huán)境穩(wěn)定性、易于合成且無(wú)毒。Han等人33將PPy與ANFs結(jié)合做成柔性電子器件，PPy分子與ANFs分子之間不僅存在強(qiáng)-相互作用，PPy的仲胺基團(tuán)也和ANFs的酰胺基團(tuán)形成氫鍵，使得PPy更易在ANFs表面聚合，形成核-殼結(jié)構(gòu)。二者之間的強(qiáng)相互作用力使復(fù)合材料表現(xiàn)出高達(dá)25S/m的電導(dǎo)率，同時(shí)具有柔韌性、物理穩(wěn)定性、耐磨性和耐溶劑性的優(yōu)點(diǎn)。2.3.2聚苯胺聚苯胺（PANI）的分子結(jié)構(gòu)與芳綸

20、的組成單位PPTA分子非常相似，將ANFs經(jīng)PANI摻雜后可具有導(dǎo)電性及電學(xué)性能。Lyu等人34利用PANI與ANFs結(jié)合制備了一種復(fù)合薄膜，具有較強(qiáng)的機(jī)械性能與良好的熱穩(wěn)定性，PANI的加入提高了復(fù)合薄膜整體的導(dǎo)電性，并且仍然具有多級(jí)次層狀結(jié)構(gòu)，形成了完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。Wang等人35以芳綸納米纖維-聚乙烯醇（ANFs-PVA）水凝膠為模板，通過(guò)原位聚合PANI制備了一種新型導(dǎo)電水凝膠。由于ANFs-PVA和導(dǎo)電PANI之間的相互作用，ANFs-PVA-PANI水凝膠具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度（2.4MPa）、拉伸變形（140%）和高靈敏度。水凝膠對(duì)應(yīng)力變化高度敏感，即使在重復(fù)傳感后也能顯示穩(wěn)定的電阻

21、信號(hào)，為設(shè)計(jì)高機(jī)械強(qiáng)度和靈敏度的可穿戴設(shè)備提供了新的靈感。Zhan等人36將ANFs、PANI和多壁碳納米管（MWCNTs）結(jié)合，采用真空輔助逐層（VA-LBL）組裝，獲得一種具有高度柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜。帶正電的PANI和帶負(fù)電的MWCNTs會(huì)通過(guò)靜電相互作用發(fā)生自組裝，與ANFs結(jié)合后制備的薄膜具有自支撐性能和較高的力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)薄膜的厚度可控，有望進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，所得的薄膜可以承受外力下的大幅度變形，在制造柔性電極方面具有廣闊的前景。3芳綸納米纖維基導(dǎo)電材料的電學(xué)應(yīng)用由于芳綸納米纖維的加入，導(dǎo)電復(fù)合材料的力學(xué)性能得到改善，同時(shí)也為電學(xué)應(yīng)用的研究提供新的思路。本文主要介紹芳綸納

22、米纖維基導(dǎo)電材料在電磁屏蔽、傳感器、超級(jí)電容器及氧還原反應(yīng)（ORR）電催化4個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。3.1電磁屏蔽應(yīng)用由于電子通信設(shè)備的迅速增加和頻譜范圍的擴(kuò)大，控制電磁干擾的任務(wù)變得非常嚴(yán)峻和具有挑戰(zhàn)性37。在航空航天、人工智能和可穿戴電子等現(xiàn)代集成電子和通信系統(tǒng)中，迫切需要具有超柔性、優(yōu)異力學(xué)性能的高效率電磁干擾屏蔽材料38。電磁屏蔽的效率取決于屏蔽材料的電學(xué)和磁學(xué)性能，當(dāng)電磁波傳播到達(dá)屏蔽材料表面時(shí)，以3種不同的屏蔽機(jī)理進(jìn)行衰減（如圖5所示）39：在屏蔽材料外表面由于阻抗失配而引起電磁波的反射損耗（SER）；屏蔽材料對(duì)進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波吸收的衰減（SEA）和在屏蔽材料內(nèi)部多次反射衰減（SEB）。

23、屏蔽效能（shieldingefficiency，SE）可用式(1)表示。SE=SER+SEA+SEBSE=SER+SEA+SEB（1）圖5電磁屏蔽的機(jī)理39Fig.5Mechanismofelectromagneticshielding39當(dāng)進(jìn)行反射損耗時(shí)，屏蔽材料在磁場(chǎng)中有可自由移動(dòng)的載流子，具有良好的導(dǎo)電性，屏蔽材料的多孔結(jié)構(gòu)也會(huì)增加多重反射的次數(shù)，從而提高屏蔽效能。一般來(lái)說(shuō)，具有良好導(dǎo)電性能的材料的電磁屏蔽機(jī)制主要取決于電磁波的反射。目前，金屬材料仍然是電磁屏蔽的首選，因?yàn)樗麄儗?dǎo)電性好、具有優(yōu)異的電磁屏蔽效率40。但是金屬材料也有密度大、重量輕、易腐蝕、柔韌性差等缺點(diǎn)41。所以將一些高

24、導(dǎo)電的填料和ANFs結(jié)合制備的復(fù)合材料，既滿足了電磁屏蔽效率的要求，也具有優(yōu)異的力學(xué)性能，為實(shí)際的應(yīng)用提供了可能。Lyu等人34將PANI作為填料與高強(qiáng)度的ANFs薄膜復(fù)合，得到了厚度僅為微米級(jí)的復(fù)合薄膜。其具有層狀結(jié)構(gòu)，因此電磁波可以在多層之間來(lái)回反射，發(fā)生多重反射損耗，直到最后被吸收或作為熱的形式消散，多層材料的疊加促進(jìn)了吸收損耗42。Hu等人16將碳納米管（CNT）與ANFs結(jié)合制作出具有高屏蔽效率的氣凝膠膜。當(dāng)外部輻射入射到氣凝膠中ANFs表面時(shí)，由于多孔表面減輕了氣凝膠薄膜和空氣間的阻抗失配，部分電磁波立即被反射回來(lái)。剩下的電磁波與氣凝膠膜的高電子密度相互作用，并持續(xù)通過(guò)氣凝膠。當(dāng)入

25、射電磁波與膜中的CNT相互作用時(shí)，產(chǎn)生電流，導(dǎo)致電導(dǎo)損失和極化弛緩損失，氣凝膠內(nèi)部的多孔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步造成電磁波的損耗，達(dá)到電磁屏蔽的效果。Xie等人32和Lei等人29將高電磁屏蔽效率的Mxene與ANFs結(jié)合，真空抽濾制成薄膜。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)的電磁波吸收歸因于多層之間介質(zhì)引起的能量耗散，其中電磁波的能量被消耗并通過(guò)電子傳輸轉(zhuǎn)化為熱能，這種特有的多層結(jié)構(gòu)大大提高了復(fù)合材料的電磁屏蔽效率43。金屬基電磁屏蔽材料表現(xiàn)出較高的電磁屏蔽性能，但由于其防腐性能有限、密度高、電磁波吸收能力低等原因，無(wú)法應(yīng)用于高端電氣設(shè)備中，而纖維基的復(fù)合將金屬基的缺點(diǎn)改善，使研究出來(lái)的材料能夠用于實(shí)際生產(chǎn)中。Ma等

26、人30在ANFs與MXene結(jié)合的基礎(chǔ)上加入了銀納米線（AgNW），制備出ANFs-MXene/AgNW納米復(fù)合紙。如圖6(a)的電磁屏蔽機(jī)理所示，當(dāng)電磁波射入雙層納米復(fù)合材料紙的表面時(shí)，一些入射電磁波在遇到導(dǎo)電的MXene/AgNW層時(shí)立即被反射，這是由于表面上大量的自由電子引起的阻抗失配44。進(jìn)入的電磁波穿過(guò)高導(dǎo)電MXene/AgNW層，并與高密度電子載流子（如電子、空穴和偶極子）相互作用，導(dǎo)致大量歐姆損耗和由感應(yīng)電流引起的電磁波能量衰減，從而導(dǎo)致劇烈的電磁波吸收45。并且，相鄰的Ti3C2Tx納米片之間的多次內(nèi)部反射也促進(jìn)了電磁波的耗散和衰減，直到被完全吸收，達(dá)到了良好的電磁屏蔽性能。圖

27、6(b)所示，跟其他材料相比，雙層復(fù)合紙?jiān)诰哂懈唠姶牌帘蔚男阅芟拢簿哂凶罡叩目估瓘?qiáng)度。如圖6(c)所示，電磁干擾屏蔽性能與導(dǎo)電率和厚度正相關(guān)，雖然雙層復(fù)合紙使材料中的導(dǎo)電層厚度要低得多，但由于高效的3DMXene/AgNW導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，復(fù)合紙表現(xiàn)出優(yōu)越的電磁屏蔽性能，也顯示出了優(yōu)異的熱穩(wěn)定性能，在航空航天等領(lǐng)域都有良好的應(yīng)用前景。圖6雙層納米復(fù)合材料紙30Fig.6Double-layersnanocompositepapermaterial303.2超級(jí)電容器應(yīng)用由于化石燃料的快速消耗，以及使用它們?cè)斐傻奈廴荆沙掷m(xù)能源仍然是一個(gè)重要的全球問(wèn)題。電能是迄今為止最方便的能源形式，但電力存在發(fā)電強(qiáng)

28、度和頻率隨機(jī)變化的缺點(diǎn)46。與其他儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，超級(jí)電容器不僅具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、快速充放電能力等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)成本較低等優(yōu)勢(shì)，已成為近年來(lái)人們研究的熱點(diǎn)47，被廣泛應(yīng)用于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、軍事裝備和航空航天等領(lǐng)域48。將ANFs作為活性導(dǎo)電物質(zhì)的機(jī)械增強(qiáng)材料，使得ANFs基超級(jí)電容器電極在成本、多功能性和環(huán)境友好性方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。Yin等人49將ANFs與PANI結(jié)合制作出柔性、機(jī)械強(qiáng)度高、自支撐的超級(jí)電容器電極，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械強(qiáng)度與電化學(xué)性能的有效結(jié)合，在電流密度為1A/g和拉伸強(qiáng)度為233.3MPa的情況下，比電容達(dá)到441.0F/g，良好的電化學(xué)儲(chǔ)能效果為柔性

29、電極材料的選擇提供了一種新的有效且有前途的方法。Flouda等人21將PANI、rGO與ANFs制成復(fù)合膜，通過(guò)調(diào)控不同組分之間的比例，機(jī)械性能得以提高，但其能量密度還需要通過(guò)增加贗電容材料或增加孔隙率進(jìn)行提高。Li等人50將贗電容材料聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）與ANFs混合抽濾制成（ANFs/PEDOT）PSS薄膜。由于材料間的氫鍵作用，即使在彎曲和扭轉(zhuǎn)條件下也表現(xiàn)出534.2S/cm的高電導(dǎo)率，該薄膜組成的超級(jí)電容器實(shí)現(xiàn)了在0.5A/cm3的電流密度下111.5F/g的比電容，在電位窗口01.6V下室溫循環(huán)10000次后，電容保持率達(dá)88.3%。Zhan等人36利用在ANFs

30、與PANI的結(jié)合中加入多壁碳納米管（MWCNTs）制成薄膜，增加了孔隙率，使得薄膜電極可以在0.25mA/cm2的電流密度下實(shí)現(xiàn)497.3mF/cm2的比電容，實(shí)現(xiàn)了高電化學(xué)性能與優(yōu)異的機(jī)械性能之間的兼容。Patel17利用在rGO/ANFs電極材料中加入CNTs防止rGO薄片的堆積，從而提高了超級(jí)電容器的倍率性能，在5A/g的電流密度下，加入20%的CNTs與不加CNTs的材料對(duì)比，電容增加了90%，是良好的超級(jí)電容器電極材料。自組裝石墨烯水凝膠由于優(yōu)異的比表面積、高孔隙率和連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在電化學(xué)能量?jī)?chǔ)存領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。Sas等人22使用高強(qiáng)度的ANFs作為結(jié)構(gòu)填料，與GO水凝膠結(jié)合

31、提高其機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)具有高比電容（119F/g）且剪切模量?jī)?yōu)異，提高了其在實(shí)際器件中的應(yīng)用，為開(kāi)發(fā)承載多功能儲(chǔ)能器件提供新的思路。3.3傳感器應(yīng)用傳感器是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置51。隨著智能行業(yè)的快速發(fā)展，可穿戴傳感器設(shè)備不斷出現(xiàn)在人們生活的各個(gè)方面，包括仿生肢體、健康運(yùn)動(dòng)監(jiān)控設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備。其中，高性能壓力傳感器在可穿戴傳感器設(shè)備中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用52。如何實(shí)現(xiàn)具有高傳感靈敏度、超低檢測(cè)限和快速響應(yīng)的理想壓力傳感器仍然是限制其進(jìn)一步應(yīng)用的主要問(wèn)題53。壓阻式傳感器通過(guò)可控的內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作，并在各種工作條件下進(jìn)一步改變電阻54，具有響應(yīng)速度快、變形靈

32、活等優(yōu)點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域55。Han等人33將ANFs和聚吡咯（PPy）制成核殼型納米纖維，由于二者之間的強(qiáng)作用力及特殊的核殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所制成的纖維混合膜可以用作可穿戴的壓力應(yīng)變傳感器，有望在區(qū)別有無(wú)人類活動(dòng)、檢測(cè)環(huán)境濕度變化等領(lǐng)域發(fā)揮巨大潛力。Wang等人31設(shè)計(jì)將ANFs與MXene材料相結(jié)合，組成MXene/ANFs復(fù)合氣凝膠。普通傳感器只能在特定的壓力范圍內(nèi)安全工作，在長(zhǎng)時(shí)間高壓環(huán)境下應(yīng)用后會(huì)出現(xiàn)故障，極大地限制了實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域56。但MXene/ANFs氣凝膠在經(jīng)過(guò)劇烈踩踏后，仍然可以檢測(cè)到電信號(hào)的變化，并且氣凝膠保持了80%95%的相對(duì)穩(wěn)定電阻，即使在經(jīng)歷高壓也沒(méi)有能量損失，極大

33、地滿足了便攜式傳感器的要求。MXene/ANFs氣凝膠具有優(yōu)異的綜合性能，特別是高靈敏度的傳感性能和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在人體行為檢測(cè)傳感器和極端條件下的傳感方面具有巨大的應(yīng)用潛力。當(dāng)水凝膠被組裝成可穿戴的應(yīng)變傳感器時(shí)，它們可以提供精確的反應(yīng)，以監(jiān)測(cè)手指、手腕脈搏、臉頰腫脹、吞咽和說(shuō)話的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)高機(jī)械強(qiáng)度和靈敏度的可穿戴設(shè)備提供了新的靈感。3.4氧還原反應(yīng)（ORR）電催化應(yīng)用隨著化石燃料的加速枯竭和一系列的環(huán)境問(wèn)題，先進(jìn)的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注。其中，燃料電池、金屬-空氣電池等新型電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置的商業(yè)化應(yīng)用主要受限于氧還原反應(yīng)（ORR）的動(dòng)力學(xué)障礙及陰極上使用鉑基催化劑的高昂成本