MXene导热复合材料的制备研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.06.021

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (6): 139-144.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.06.021

• 综述 • 上一篇

MXene导热复合材料的制备研究进展

曹帅¹(), 姜涛², 刘雄³, 王瑛², 李文戈², 吴新锋¹()

^1.上海海事大学海洋科学与工程学院，上海 201306
^2.上海海事大学商船学院，上海 201306
^3.上海宇航系统工程研究所，上海 201109

收稿日期:2023-09-15 出版日期:2024-06-26 发布日期:2024-06-20
通讯作者: 吴新锋（1982-），男，教授，从事复合材料的研究，xfwu@sspu.edu.cn
E-mail:3027282283@qq.com;xfwu@sspu.edu.cn
作者简介:曹帅，男，在读研究生，从事复合材料的研究，3027282283@qq.com
第一联系人：地址：北京市海淀区阜成路11号《中国塑料》杂志社广告部
邮编：100048
基金资助:
上海高水平地方高校创新团队（海事安全与保障）项目

Research progress in preparation of thermal conductive composites with MXene

CAO Shuai¹(), JIANG Tao², LIU Xiong³, WANG Ying², LI Wenge², WU Xinfeng¹()

^1.College of Ocean Science and Engineering，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China
^2.College of Merchant Marine College，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China
^3.Shanghai Institute of Aerospace Systems Engineering，Shanghai 201109，China

Received:2023-09-15 Online:2024-06-26 Published:2024-06-20
Contact: WU Xinfeng E-mail:3027282283@qq.com;xfwu@sspu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

介绍了MXene导热复合材料的传热机理，综述了MXene导热复合材料的各种制备方法，主要包括真空辅助过滤法、冻干取向法、溶液共混法、自组装法和多层铸造法等，分析了不同方法制备MXene导热复合材料的特性，最后，指出了MXene导热复合材料面对的挑战，并对未来的发展方向进行了展望。

关键词: MXene, 热导率, 复合材料, 制备方法, 成型工艺

Abstract:

The heat transfer mechanism of thermally conductive MXene⁃based composites was introduced， and their preparation methods were reviewed， mainly including vacuum⁃assisted filtration， freeze⁃drying orientation， solution blending， self⁃assembly， and multilayer casting. The characteristics of the thermally conductive MXene⁃based composites were analyzed， the challenges they have to face were pointed out， and their development direction in future was prospected.

Key words: MXene, thermal conductivity, composite, preparation method, molding method

中图分类号:

TQ320

曹帅, 姜涛, 刘雄, 王瑛, 李文戈, 吴新锋. MXene导热复合材料的制备研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(6): 139-144.

CAO Shuai, JIANG Tao, LIU Xiong, WANG Ying, LI Wenge, WU Xinfeng. Research progress in preparation of thermal conductive composites with MXene[J]. China Plastics, 2024, 38(6): 139-144.

图/表 10

图1 MXene导热复合材料的制备方法

Fig.1 Preparation of MXene thermally conductive composites

图2 真空辅助过滤法制备MXene/Cu/CNF导热复合材料示意图

Fig.2 Schematic diagram of MXene/Cu/CNF thermally conductive composites prepared by vacuum⁃assisted filtration method

材料	热导率/W•（m•K）^-1	参考文献
MXene、纤维素纳米纤维	14.93	［24］
MXene、Cu、纤维素纳米纤维	24.96	［25］
MXene、Ag 、纤维素纳米纤维	22.43	［26］
MXene、甘露醇	36.3	［27］
MXene、ND、纤维素纳米纤维、	17.43	［28］
MXene、Ag纳米线、CNF、PDMS	13.9	［29］
MXene、CNF	11.57	［30］
MXene、BN、PBO	26.1	［31］
MXene、Ag纳米线、CNF	15.53	［32］
MXene、Ga、CNF	9.11	［33］

表1 真空辅助过滤法制备的各种MXene导热复合材料

Tab.1 Various MXene thermally conductive composites prepared by vacuum assisted filtration method

图3 冻干取向法制备MXene/PI导热复合材料示意图

Fig.3 Schematic diagram of MXene/PI thermally conductive composites prepared by freeze⁃drying orientation method

材料	热导率/W•（m•K）^-1	参考文献
MXene、聚酰亚胺（PI）	5.12 ± 0.37	［34］
MXene、碳纤维、环氧树脂	9.68	［35］
MXene、银、环氧树脂	2.65	［36］
MXene、石墨烯、聚乙二醇（PEG）	1.64	［37］

表2 冻干取向法制备的各种MXene导热复合材料

Tab.2 Various MXene thermally conductive composites prepared by freeze⁃drying orientation method

图4 溶液共混法制备MXene/环氧复合材料过程示意图

Fig.4 Schematic diagram of the process of preparing MXene/epoxy composites by solution blending method

材料	热导率/W•（m•K）^-1	参考文献
MXene、环氧树脂	0.587	［41］
MXene、乙丙二烯橡胶（EPDM）	1.57	［42］
MXene、脱木质素纤维、环氧树脂	0.92	［43］

表3 溶液共混法制备的各种MXene导热复合材料

Tab.3 Various MXene thermally conductive composites prepared by solution blending method

图5 自组装法制备MXene⁃Al2O3/硅橡胶复合材料示意图

Fig.5 Schematic diagram of MXene⁃Al2O3/silicone rubber composites prepared by self⁃assembly method

材料	热导率/W•（m•K）^-1	参考文献
MXene、Al₂O₃、硅橡胶（SR）	3.4	［44］
MXene、环氧树脂	0.256 0	［45］
MXene、氮化硼、PMMA	4.13	［46］
MXene、SiO₂、羧甲基化纤维素纳米纤维（CNF）	26.4	［47］

表4 自组装法制备的各种MXene导热复合材料

Tab.4 Various MXene thermally conductive composites prepared by the self⁃assembly method

图6 多层铸造法制备MXene/PVA交替多层复合膜示意图

Fig.6 Schematic diagram of MXene/PVA alternating multilayer composite film prepared by multilayer casting method

参考文献 47

1	Ji Jiacheng， Sum⁃Wai Chiang， Liu Mengjing， et al. Enhanced thermal conductivity of alumina and carbon fibre filled composites by 3⁃D printing ［J］. Thermochimica Acta， 2020，690.DOI：10.1016/j.tca.2020.178649
2	Wu Xinfeng， Tang Bo， Chen Jin， et al. Epoxy composites with high cross⁃plane thermal conductivity by constructing all⁃carbon multidimensional carbon fiber/graphite networks［J］. Composites Science and Technology， 2021，203，108610
3	Yang Xutong， Liang Chaobo， Ma Tengbo， et al. A review on thermally conductive polymeric composites： classification， measurement， model and equations， mechanism and fabrication methods ［J］. Advanced Composites and Hybrid Materials， 2018， 1（2）： 207⁃230.
4	何一丹，章晓娟，杨红娟，等. MXene及其复合材料在吸波和导热领域的研究进展［J］.中国塑料，2022，36（10）：167⁃177.
	HE Y D， ZHANG X J， YANG H J， et al. Research progress in MXene and its composites for microwave absorption and thermal conduction［J］.China Plastics，2022，36（10）：167⁃177.
5	Abiodun Oluwalowo， Nam Nguyen， Zhang Songlin， et al. Electrical and thermal conductivity improvement of carbon nanotube and silver composites ［J］. Carbon， 2019，146：224⁃231.
6	Li Junhui， Li Xiang， Zheng Yu， et al. New underfill material based on copper nanoparticles coated with silica for high thermally conductive and electrically insulating epoxy composites ［J］. Journal of Materials Science， 2019， 54（8）： 6 258⁃6 271.
7	Shi Shanshan， Wang Ying， Jiang Tao， et al. Carbon Fiber/Phenolic Composites with High Thermal Conductivity Reinforced by a Three⁃Dimensional Carbon Fiber Felt Network Structure ［J］. ACS Omega， 2022， 7（33）： 29 433⁃29 442.
8	Taku Goto， Ito Tsuyohito， Koichi Mayumi， et al. Movable cross⁃linked elastomer with aligned carbon nanotube/nanofiber as high thermally conductive tough flexible composite ［J］. Composites Science and Technology， 2020， 190：108009.
9	Song Na， Cao Donglei， Luo Xian， et al. Highly thermally conductive polypropylene/graphene composites for thermal management ［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2020， 135：105912.
10	Zhong Bo， Zou Jiaxin， An Lulu， et al. The effects of the hexagonal boron nitride nanoflake properties on the thermal conductivity of hexagonal boron nitride nanoflake/silicone rubber composites ［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2019， 127：105629.
11	Lu Xiang， Huang Haowei， Zhang Xinya， et al. Novel light⁃driven and electro⁃driven polyethylene glycol/two⁃dimensional MXene form⁃stable phase change material with enhanced thermal conductivity and electrical conductivity for thermal energy storage ［J］. Composites Part B： Engineering， 2019， 177：107372.
12	Ding Yang， Lu Xiang， Liu Shuang， et al. Sandwich⁃structured multifunctional composite films with excellent electromagnetic interference shielding and light/electro/magnetic⁃to⁃thermal conversion and storage capabilities ［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2022， 163：107178.
13	Gao Lingfeng， Li Chao， Huang Weichun， et al. MXene/Polymer Membranes： Synthesis， Properties， and Emerging Applications ［J］. Chemistry of Materials， 2020， 32（5）： 1 703⁃1 747.
14	Wang Jianfeng， Shen Mingming， Liu Zhuoxin， et al. MXene materials for advanced thermal management and thermal energy utilization ［J］. Nano Energy， 2022， 97：107177.
15	Yu Bin， Benjamin Tawiah， Wang Lin⁃Qiang， et al. Interface decoration of exfoliated MXene ultra⁃thin nanosheets for fire and smoke suppressions of thermoplastic polyurethane elastomer ［J］. Journal of Hazardous Materials， 2019，374：110⁃119.
16	Mirkhani Seyyed Alireza， Shayesteh Zeraati Ali， Ehsan Aliabadian， et al. High Dielectric Constant and Low Dielectric Loss via Poly（vinyl alcohol）/Ti₃C₂T_x MXene Nanocomposites ［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2019， 11（20）： 18 599⁃18 608.
17	Jiao Shangqing， Zhou Aiguo， Wu Mingzai， et al. Kirigami Patterning of MXene/Bacterial Cellulose Composite Paper for All‐Solid‐State Stretchable Micro‐Supercapacitor Arrays ［J］. Advanced Science， 2019， 6（12）.DOI：10.1002/advs.201900529
18	Wang Dezhao， Wei Han， Lin Ying， et al. Achieving ultrahigh thermal conductivity in Ag/MXene/epoxy nanocomposites via filler⁃filler interface engineering ［J］. Composites Science and Technology， 2021， 213：108953.
19	Guo Zhengzheng， Ren Penggang， Yang Fan， et al. Robust multifunctional composite films with alternating multilayered architecture for highly efficient electromagnetic interference shielding， Joule heating and infrared stealth ［J］. Composites Part B： Engineering， 2023， 263：110863.
20	Lee J， Kim J. Enhancing the thermal conductivity of PEG composites with freeze⁃drying and surface treatment of MXene and CNT［J］. Materials Today Chemistry， 2023， 27：101305.
21	Li Mukun， Sun Yuyao， Feng Dianying， et al. Thermally conductive polyvinyl alcohol composite films via introducing hetero⁃structured MXene@silver fillers ［J］. Nano Research， 2023， 16（5）： 7 820⁃7 828.
22	Lian Richeng， Jiang Yunpeng， Guan Haocun， et al. Biomimetic construction of hierarchical MXene@PDA@CoFeO _x nanohybrids towards efficient fire⁃safe epoxy nanocomposites with enhanced thermal conductivity and mechanical properties ［J］. Polymer Degradation and Stability， 2023， 215：110444.
23	Jin Xiuxiu， Wang Jianfeng， Dai Lunzhi， et al. Flame⁃retardant poly（vinyl alcohol）/MXene multilayered films with outstanding electromagnetic interference shielding and thermal conductive performances ［J］. Chemical Engineering Journal， 2020， 380：122475.
24	Jiao Enxiang， Wu Kun， Liu Yingchun， et al. Ultrarobust MXene⁃based laminated paper with excellent thermal conductivity and flame retardancy ［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2021， 146：106417.
25	Qin Yue， Li Linhong， Li Maohua， et al. Flexible MXene/copper/cellulose nanofiber heat spreader films with enhanced thermal conductivity ［J］. Nanotechnology Reviews， 2022， 11（1）： 1 583⁃1 591.
26	Jiao Enxiang， Wu Kun， Liu Yingchun， et al. Robust bioinspired MXene⁃based flexible films with excellent thermal conductivity and photothermal properties ［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2021， 143：106290.
27	Kong Xiangdong， Song Guichen， Chen Yapeng， et al. Mannitol enhanced thermal conductivity and environmental stability of highly aligned MXene composite film ［J］. Composites Science and Technology， 2023， 241：110141.
28	Jiao Enxiang， Wu Kun， Liu Yingchun， et al. Nacre⁃like robust cellulose nanofibers/MXene films with high thermal conductivity and improved electrical insulation by nanodiamond ［J］. Journal of Materials Science， 2022， 57（4）： 2 584⁃2 596.
29	Hu Guirong， Dong Fuping， Xu Jing， et al. High thermally conductive， hydrophobic and small⁃thickness nanocomposite films with symmetrical double conductive networks exhibit ultra⁃high electromagnetic shielding performance ［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2023， 167：107416
30	Song Guichen， Kang Ruiyang， Guo Liangchao， et al. Highly flexible few⁃layer Ti₃C₂ MXene/cellulose nanofiber heat⁃spreader films with enhanced thermal conductivity ［J］. New Journal of Chemistry， 2020， 44（17）： 7 186⁃7 193.
31	Liu Yong， Zhao Ning， Xu Jian. Mechanically Strong and Flame⁃Retardant PBO/BN/MXene Nanocomposite Paper with Low Thermal Expansion Coefficient， for Efficient EMI Shielding and Heat Dissipation ［J］. Advanced Fiber Materials， 2023， DOI：10.1007/s42765-023-00298-0
32	Zhou Bing， Li Qingtao， Xu Penghui， et al. An asymmetric sandwich structural cellulose⁃based film with self⁃supported MXene and AgNW layers for flexible electromagnetic interference shielding and thermal management ［J］. Nanoscale， 2021， 13（4）： 2 378⁃2 388.
33	He Yuqi， Yang Jun， Chen Wentao， et al. Gallium⁃doped MXene/cellulose nanofiber composite membranes with electro/photo thermal conversion property for high performance electromagnetic interference shielding ［J］. Chemical Engineering Journal， 2023， 464：142565.
34	Zhu Yue， Zhao Xingbin， Peng Qingyu， et al. Flame⁃retardant MXene/polyimide film with outstanding thermal and mechanical properties based on the secondary orientation strategy ［J］. Nanoscale Advances， 2021， 3（19）： 5 683⁃5 693.
35	Guo Liangchao， Zhang Zhenyu， Li Maohua， et al. Extremely high thermal conductivity of carbon fiber/epoxy with synergistic effect of MXenes by freeze⁃drying ［J］. Composites Communications， 2020， 19：134⁃141.
36	Ji Chao， Ying Wang， Ye Zhenqiang， et al. Ice⁃Templated MXene/Ag⁃Epoxy Nanocomposites as High⁃Performance Thermal Management Materials. ［J］.ACS Applied Materials & Interfaces，2020， 12（21）：24 298–24 307.
37	Jin Liyuan， Wang Pei， Cao Wenjing， et al. Isolated Solid Wall⁃Assisted Thermal Conductive Performance of Three⁃Dimensional Anisotropic MXene/Graphene Polymeric Composites ［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2021， 14（1）： 1 747⁃1 756.
38	Lee Seonmin， Dabin Park， Cho Youngsung， et al. Highly thermally conductive and EMI shielding composite reinforced with aligned carbon fibers and MXene ［J］. Synthetic Metals， 2022， 291：117183
39	Xu Hailong， Yin Xiaowei， Li Xinliang， et al. Lightweight Ti₂CT_x MXene/Poly（vinyl alcohol） Composite Foams for Electromagnetic Wave Shielding with Absorption⁃Dominated Feature ［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2019， 11（10）： 10 198⁃10 207.
40	Han Runlin， Ma Xufeng， Xie Yongli， et al. Preparation of a new 2D MXene/PES composite membrane with excellent hydrophilicity and high flux ［J］. RSC Advances， 2017， 7（89）： 56 204⁃56 210.
41	Kang Ruiyang， Zhang Zhenyu， Guo Liangchao， et al. Enhanced Thermal Conductivity of Epoxy Composites Filled with 2D Transition Metal Carbides （MXenes） with Ultralow Loading ［J］. Scientific Reports， 2019， 9（1）. DOI：10.1038/s41598-019-45664-4 .
42	Lu Shaowei， Li Bohan， Ma Keming， et al. Flexible MXene/EPDM rubber with excellent thermal conductivity and electromagnetic interference performance ［J］. Applied Physics A， 2020， 126（7）.DOI：10.1007/s00339-020-03675-3 .
43	Zuo Shida， Shi Jiangjing， Wu Yingji， et al. Low carbon footprint preparation of MXene incorporated lignocellulosic fibers for high thermal conductivity applications ［J］. Environmental Research， 2022， 215，114213.
44	Ye Zhenqiang， Ji Chao， Yu Tao， et al. Enhanced interfacial heat⁃transfer of Al₂O₃⁃MXene⁃silicone composite via an electrostatic self⁃assembly strategy ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2022， 199：123430.
45	Lian Richeng， Mingyu Ou， Zhao Zexuan， et al. Facile fabrication of novel fire⁃safe MXene@IL⁃based epoxy nanocomposite coatings with enhanced thermal conductivity and mechanical properties ［J］. Progress in Organic Coatings， 2023， 183：107750.
46	Huang X， Tuersun Y， Huang M， et al. Highly enhanced thermal conductivity from boron nitride nanosheets and MXene phonon resonance in 3D PMMA spheres composites ［J］. Materials Today Sustainability， 2023， 21：100269.
47	Zhan Yingjie， Bingfei Nan， Liu Yingchun， et al. Multifunctional cellulose⁃based fireproof thermal conductive nanocomposite films assembled by in⁃situ grown SiO₂ nanoparticle onto MXene ［J］. Chemical Engineering Journal， 2021， 421：129733.

[1]	何和智, 黄宗海, 赖文, 熊华威. PLA/PBAT/CB防静电包装材料的制备及其性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(7): 1-8.
[2]	魏佳, 刘凯, 彭丽娟, 田阳阳, 赵琳, 李艳红, 杨佩佩, 李松伟, 陆波. 壳聚糖/聚苯胺⁃氧化石墨烯尼古丁分子印迹复合材料的制备与吸附性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(7): 32-36.
[3]	叶卫文, 陈镇森, 姜炳春, 吴光明. 汽车热交换系统直管口双缩柯水室模具设计[J]. 中国塑料, 2024, 38(6): 117-124.
[4]	王涵, 梁金华, 高振国, 姜炜, 周昊. 微胶囊型自修复环氧树脂材料的力学性能及修复效率[J]. 中国塑料, 2024, 38(5): 40-46.
[5]	李轩, 何瑜, 明白, 张晓燕, 刘福华, 来升. 聚酰亚胺树脂基复合摩擦材料成型技术研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(4): 116-123.
[6]	赵小红, 卢杏. 淀粉的改性及其对淀粉/PBAT/碳酸钙复合材料结构和性能的影响[J]. 中国塑料, 2024, 38(4): 40-46.
[7]	姜曙, 王阳, 翟孟雷, 李庆涛, 黄明, 刘春太. 连续碳纤增强B柱加强板结构设计与铺覆仿真[J]. 中国塑料, 2024, 38(4): 73-78.
[8]	国江, 许梦伊, 李辉, 黄想, 林浩, 姜胜宝, 陈尚, 陈程. 聚丙烯/氧化锆复合材料的制备及介电性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(3): 44-48.
[9]	陈清江, 董志聪, 李红发, 吴毅江, 高松, 聂文翔, 罗应文. 改性纳米氧化镁交联聚乙烯复合材料的制备及其电气性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 20-25.
[10]	段书谦, 刘姝雅, 刘江慧, 成晓琼, 蒙丹, 张先群, 陈肖, 付海. 网络化聚吡咯/聚氨酯复合材料的抗静电性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 33-38.
[11]	韩志勇, 马斯景, 路鹏程. 铝合金与复合材料连接表面处理方法的研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(1): 124-133.
[12]	叶卫文, 陈镇森, 姜炳春, 吴光明. 汽车热交换系统斜向管口气室模具设计[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 102-108.
[13]	相利学, 唐波, 周刚, 代旭明, 王二轲, 姜涛, 吴新锋. 3D打印技术在高导热复合材料中的应用研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 125-132.
[14]	李家伟张克宏李文慧郭星雨丁宇. 聚羟基脂肪酸酯/茶粉复合材料的制备与性能研究[J]. , 2023, 37(6): 10-15.
[15]	王怡佳张燕陈婷刘继延刘学清. 聚氨酯/甲基二苯基氧化膦的冷结晶及阻燃性能研究[J]. , 2023, 37(5): 104-109.

MXene导热复合材料的制备研究进展

Research progress in preparation of thermal conductive composites with MXene

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 10

参考文献 47

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价