芳綸納米纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用

劉箐箐 吳德敏 沈夢霞，，* 段 超 戴 磊 童樹華 孟 育 華飛果

（1.陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省造紙技術(shù)與特種紙開發(fā)重點實驗室，輕化工程國家級實驗教學(xué)示范中心，陜西西安，710021；2.浙江金昌特種紙股份有限公司，浙江衢州，324400）

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，具有機械性能強、質(zhì)量輕、耐酸堿等優(yōu)異性能，分為間位芳綸和對位芳綸[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，強度模量都略低于對位芳綸，所以本文所介紹的芳綸以對位芳綸為主。對位芳綸（PPTA）全稱為聚對苯二甲酰對苯二胺纖維，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)分離的酰胺基團與苯環(huán)形成了π-π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[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，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）是將芳綸纖維通過處理制成的直徑為十幾到幾百納米、長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徑比，因此可以與其他材料進行復(fù)合，在電池隔膜、復(fù)合增強材料和柔性電極等多個領(lǐng)域都顯示出一定的應(yīng)用潛能與發(fā)展前景。

圖1 對位芳綸的分子結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Molecular structure of para-aramid

柔性電子器件以其獨特的柔性、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的研究熱點。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，其與導(dǎo)電材料復(fù)合應(yīng)用在電磁屏蔽、傳感、電化學(xué)儲能等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。

本文對比總結(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)合材料的制備方法，并且介紹了其在電磁屏蔽、超級電容器、壓力傳感器及氧還原電催化領(lǐng)域的應(yīng)用，并對芳綸納米纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

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的制備聚合物納米纖維的技術(shù)，其原理是在強電場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PP?TA 纖維在濃硫酸中進行溶解，形成紡絲液，然后經(jīng)輔助加熱后在高壓電場的作用下以射流形式噴出，最后在水浴鍋中固化成形。但紡絲液的濃度會影響ANFs 的成形且不易控制，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步。然而，靜電紡絲法仍然存在設(shè)備會被強酸腐蝕以及高能耗等問題，不適用于大批量制備ANFs。

1.2 機械輔助制備

機械輔助制備的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]通過在NaOH 的條件下對PPTA 纖維進行機械處理，制備出由對位微晶組成的ANFs。在靜電排斥力的作用下分解成納米纖維，具有優(yōu)異的比表面積和機械性能。通過過濾和熱壓的方法制備的ANFs 薄膜的平均楊氏模量、拉伸強度和應(yīng)變分別達2.0 GPa、26.8 MPa 和1.5%。但這種方法即使在堿性水解預(yù)處理的輔助下，PPTA 分子鏈之間的強分子間力和高結(jié)晶度也會導(dǎo)致不均勻的原纖化處理。因此，這種以節(jié)能方式制備高強度ANFs 的方法在實際應(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。Takayanagi 等人[9]發(fā)現(xiàn)在強堿（NaOH）和有機溶劑（DMSO）的條件下，PPTA 中的酰胺鍵會發(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 聚陰離子的成形機理，通過加入去質(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PPTA 的研究僅限于機理方面。Yang等人[12]將宏觀的芳綸纖維在強堿與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3~30 nm 且長度高達10μm 的均勻PPTA納米纖維，首次命名其為ANFs。KOH/DMSO強堿體系可以定向破壞纖維間的氫鍵作用，同時使酰胺鍵上的N—H 鍵斷裂發(fā)生去質(zhì)子化反應(yīng)并帶有負電荷，最終ANFs 在靜電排斥、π-π 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]將對位芳綸浸泡在KOH/DMSO中，制備出均勻的ANFs 分散體，用磷酸水解并用戊二醛進行交聯(lián)，通過真空輔助過濾將ANFs 制成宏觀的薄膜。但通過去質(zhì)子化方法制備ANFs 仍然存在缺點，如制備周期長，制備效率低等。

Koo 等人[14]利用單體對苯二甲酰胺聚合合成ANFs，這種方法將制備時間縮短至15 h，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種方法來處理纖維（如圖2所示），可以在12 h內(nèi)獲得濃度高達4.0%的ANFs，當(dāng)加入質(zhì)子供體后，制備過程可以在4 h 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、有效，促進了以ANFs 為基底實現(xiàn)功能化和智能化應(yīng)用的發(fā)展。

圖2 ANFs制備方法示意圖[15]Fig.2 Schematic illustration of fabrication methods for ANFs[15]

2 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、強的力學(xué)性能、高穩(wěn)定性以及質(zhì)量輕等優(yōu)點。Hu 等人[16]將ANFs、CNTs 和疏水性氟碳樹脂（FC）組成了多功能氣凝膠薄膜（如圖3 所示），該膜通過將CNTs 分散到ANFs溶液中，混合均勻進行凍干，最后使用FC 樹脂覆于表面作疏水涂層，該方法制成的薄膜具有堅固的機械性能，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的分散所引起的機械強度不足的缺點也因為加入了ANFs得到了改善。

圖3 FC-ANFs/CNT混合氣凝膠膜的制備、結(jié)構(gòu)組成及其多功能性[16]Fig.3 Schematic of the fabrication and structural composition of the FC-ANFs/CNT hybrid aerogel film and its multifunctionality[16]

2.1.2 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，很難加工成自組裝結(jié)構(gòu)[18]，而ANFs 由于表面的酰胺基團，被用來與石墨烯結(jié)合改善以上的缺點。據(jù)報道，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]報道采用真空過濾法制備還原氧化石墨烯（rGO）-ANFs巴基紙電極，具有優(yōu)異的機械性能和電學(xué)性能，可用于超級電容器的應(yīng)用。

Sas 等人[22]利用膠體溶膠-凝膠自組裝方法[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 之間的強氫鍵和π-π 堆疊作用，實現(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)量分數(shù)2%）復(fù)合材料的剪切模量（349 kPa）比凈GO 水凝膠（193 kPa）提高了80%。這是首次報道將ANFs 結(jié)構(gòu)作為石墨烯水凝膠的填料，用于電化學(xué)儲能的超級電容器電極。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Ca2+離子進行熱還原，通過功能化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（Au NPs）和銀納米顆粒（Ag NPs）由于合成方法簡單快速，納米顆粒穩(wěn)定、不易被氧化，粒徑分布窄等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用[26]。Lyu等人[1]利用還原劑或溶劑合成導(dǎo)電填料-Au NPs 與Ag NPs，并與ANFs 結(jié)合，制備出柔性導(dǎo)電薄膜。采用真空抽濾法將Au NPs 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，溶液中的Au NPs 被ANFs 薄膜截留下來，Au NPs 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)Au NPs 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)率可以達到103S/cm，又有機械強度高的ANFs作為支撐，抗拉強度達100 MPa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Ag NPs[27]，隨后用真空抽濾法將Ag NPs 和ANFs-EtOH 凝膠復(fù)合，干燥后得到柔性導(dǎo)電的Ag/ANFs 薄膜。其中，Ag NPs 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。

2.2.2 MXenes

MXenes 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2D MX?enes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具有較強的機械性能，近年來與MXenes結(jié)合大大增強了其力學(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納米片，通過調(diào)控DMSO 和H2O 的比例得到棒狀A(yù)NFs，并通過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MXene∶ANFs=4∶6時，該復(fù)合薄膜具有極其優(yōu)異的力學(xué)拉伸性能（300.5 MPa）和極高的楊氏模量（13.6 GPa），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]通過簡易的兩步真空輔助過濾（TVAF）法和熱壓法，制備了具有雙層結(jié)構(gòu)的超柔性和高機械強度的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 為基底的納米紙上構(gòu)建了連續(xù)且高效的3D MXene/AgNW 導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使雙層納米復(fù)合紙在重復(fù)彎曲和拉伸過程中同時顯示出極高的導(dǎo)電性（922.0 S/cm）和優(yōu)異的電穩(wěn)定性。

圖4 MXene/ANFs復(fù)合薄膜的制備及性能[29]Fig.4 Preparation and properties of MXene/ANFs composite films[29]

Wang 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25 mg/cm3的復(fù)合氣凝膠。ANFs 之間存在較強的氫鍵，在氣凝膠中起強度支撐、分散劑和保護層的作用，MXene起導(dǎo)電填料和粘結(jié)點的作用。二者中單相組分過高時，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，氣凝膠表現(xiàn)出“泥-磚”結(jié)構(gòu)，且層與層之間相互連接。通過測試，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。Xie 等人[32]制備了一種超薄的、具有良好機械強度的芳綸復(fù)合紙，同樣由于MXenes 與ANFs 之間存在良好的界面附著力，有機組分“砂漿”和無機組分“磚”在真空輔助抽濾過程中形成了多層結(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 材料機械性能差的問題。

2.3 與導(dǎo)電聚合物材料復(fù)合

導(dǎo)電聚合物與ANFs 結(jié)合后的導(dǎo)電復(fù)合材料具有許多優(yōu)點，可以在較大范圍內(nèi)根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)其機械性能與導(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π-π 相互作用，PPy 的仲胺基團也和ANFs 的酰胺基團形成氫鍵，使得PPy 更易在ANFs 表面聚合，形成核-殼結(jié)構(gòu)。二者之間的強相互作用力使復(fù)合材料表現(xiàn)出高達25 S/m的電導(dǎo)率，同時具有柔韌性、物理穩(wěn)定性、耐磨性和耐溶劑性的優(yōu)點。

2.3.2 聚苯胺

聚苯胺（PANI）的分子結(jié)構(gòu)與芳綸的組成單位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，具有較強的機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)異的機械強度（2.4 MPa）、拉伸變形（140%）和高靈敏度。水凝膠對應(yīng)力變化高度敏感，即使在重復(fù)傳感后也能顯示穩(wěn)定的電阻信號，為設(shè)計高機械強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械強度的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜。帶正電的PANI 和帶負電的MWCNTs 會通過靜電相互作用發(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)強度，同時薄膜的厚度可控，有望進行大規(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米纖維基導(dǎo)電材料在電磁屏蔽、傳感器、超級電容器及氧還原反應(yīng)（ORR）電催化4個領(lǐng)域的應(yīng)用。

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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大，控制電磁干擾的任務(wù)變得非常嚴峻和具有挑戰(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)電磁波傳播到達屏蔽材料表面時，以3種不同的屏蔽機理進行衰減（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）；屏蔽材料對進入材料內(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）。屏蔽效能（shielding effi?ciency，SE）可用式(1)表示。

當(dāng)進行反射損耗時，屏蔽材料在磁場中有可自由移動的載流子，具有良好的導(dǎo)電性，屏蔽材料的多孔結(jié)構(gòu)也會增加多重反射的次數(shù)，從而提高屏蔽效能。一般來說，具有良好導(dǎo)電性能的材料的電磁屏蔽機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，因為他們導(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[41]。所以將一些高導(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，為實際的應(yīng)用提供了可能。Lyu 等人[34]將PANI 作為填料與高強度的ANFs 薄膜復(fù)合，得到了厚度僅為微米級的復(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，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。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)通過氣凝膠。當(dāng)入射電磁波與膜中的CNT 相互作用時，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)進一步造成電磁波的損耗，達到電磁屏蔽的效果。

Xie 等人[32]和Lei 等人[29]將高電磁屏蔽效率的Mx?ene 與ANFs 結(jié)合，真空抽濾制成薄膜。在測試中發(fā)現(xiàn)，增強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)合將金屬基的缺點改善，使研究出來的材料能夠用于實際生產(chǎn)中。Ma 等人[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)的電磁屏蔽機理所示，當(dāng)電磁波射入雙層納米復(fù)合材料紙的表面時，一些入射電磁波在遇到導(dǎo)電的MXene/Ag?NW 層時立即被反射，這是由于表面上大量的自由電子引起的阻抗失配[44]。進入的電磁波穿過高導(dǎo)電MX?ene/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)部反射也促進了電磁波的耗散和衰減，直到被完全吸收，達到了良好的電磁屏蔽性能。圖6(b)所示，跟其他材料相比，雙層復(fù)合紙在具有高電磁屏蔽的性能下，也具有最高的抗拉強度。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3D MXene/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[30]Fig.6 Double-layers nanocomposite paper material[30]

3.2 超級電容器應(yīng)用

將ANFs 作為活性導(dǎo)電物質(zhì)的機械增強材料，使得ANFs 基超級電容器電極在成本、多功能性和環(huán)境友好性方面具有顯著的優(yōu)勢。Yin 等人[49]將ANFs 與PANI 結(jié)合制作出柔性、機械強度高、自支撐的超級電容器電極，實現(xiàn)了機械強度與電化學(xué)性能的有效結(jié)合，在電流密度為1 A/g 和拉伸強度為233.3 MPa 的情況下，比電容達到441.0 F/g，良好的電化學(xué)儲能效果為柔性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，通過調(diào)控不同組分之間的比例，機械性能得以提高，但其能量密度還需要通過增加贗電容材料或增加孔隙率進行提高。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534.2 S/cm 的高電導(dǎo)率，該薄膜組成的超級電容器實現(xiàn)了在0.5 A/cm3的電流密度下111.5 F/g 的比電容，在電位窗口0~1.6 V 下室溫循環(huán)10000 次后，電容保持率達88.3%。Zhan 等人[36]利用在ANFs 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0.25 mA/cm2的電流密度下實現(xiàn)497.3 mF/cm2的比電容，實現(xiàn)了高電化學(xué)性能與優(yōu)異的機械性能之間的兼容。Patel[17]利用在rGO/ANFs 電極材料中加入CNTs 防止rGO 薄片的堆積，從而提高了超級電容器的倍率性能，在5 A/g 的電流密度下，加入20%的CNTs 與不加CNTs 的材料對比，電容增加了90% ，是良好的超級電容器電極材料。

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)能量儲存領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。Sas等人[22]使用高強度的ANFs 作為結(jié)構(gòu)填料，與GO 水凝膠結(jié)合提高其機械強度，同時具有高比電容（119 F/g）且剪切模量優(yōu)異，提高了其在實際器件中的應(yīng)用，為開發(fā)承載多功能儲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)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置[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)在人們生活的各個方面，包括仿生肢體、健康運動監(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]。如何實現(xiàn)具有高傳感靈敏度、超低檢測限和快速響應(yīng)的理想壓力傳感器仍然是限制其進一步應(yīng)用的主要問題[53]。壓阻式傳感器通過可控的內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作，并在各種工作條件下進一步改變電阻[54]，具有響應(yīng)速度快、變形靈活等優(yōu)點，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，由于二者之間的強作用力及特殊的核殼結(jié)構(gòu)特點，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)別有無人類活動、檢測環(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，在長時間高壓環(huán)境下應(yīng)用后會出現(xiàn)故障，極大地限制了實際應(yīng)用領(lǐng)域[56]。但MXene/ANFs 氣凝膠在經(jīng)過劇烈踩踏后，仍然可以檢測到電信號的變化，并且氣凝膠保持了80%~95%的相對穩(wěn)定電阻，即使在經(jīng)歷高壓也沒有能量損失，極大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，它們可以提供精確的反應(yīng)，以監(jiān)測手指、手腕脈搏、臉頰腫脹、吞咽和說話的關(guān)節(jié)運動。這項工作為設(shè)計高機械強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)境問題，先進的能源轉(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）的動力學(xué)障礙及陰極上使用鉑基催化劑的高昂成本[57-58]。因此，探索低成本的ORR 電催化劑是燃料電池和金屬-空氣電池的關(guān)鍵[59]。研究表明，雜原子（氮、磷、硫和硼）摻雜的碳材料是目前較有前途的ORR 電催化劑[60]。由于引進不同電負性的雜原子，碳基體的局部電荷和自旋密度發(fā)生了顯著的變化，有利于氧的吸附，降低了反應(yīng)能壘，增強了這類雜原子摻雜碳材料的ORR電催化活性[61]。

Ren 等人[62]就以ANFs 溶液為前驅(qū)體，采用了簡單有效的溶劑交換法和冷凍干燥法制備了ANFs 氣凝膠，隨后在惰性氣體中熱解成氣凝膠，利用ANFs 中豐富的酰胺基團原位摻雜大量的氮原子，制備了具有缺陷結(jié)構(gòu)的N摻雜碳氣凝膠。碳氣凝膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中具有大量的孔隙，自摻雜的氮原子作為ORR 活性位點均勻分布，且碳骨架富有的缺陷位點使得其在酸性和堿性介質(zhì)中具有良好的ORR 電催化性能，同時也展現(xiàn)出比鉑碳催化劑更優(yōu)的穩(wěn)定性以及耐甲醇性，有望代替商業(yè)鉑碳用于燃料電池和金屬空氣電池。

4 結(jié) 語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，單一的導(dǎo)電材料慢慢向復(fù)合導(dǎo)電材料進行過渡。芳綸納米纖維作為一種新型高分子纖維材料，由于其獨特的結(jié)構(gòu)更易與導(dǎo)電材料結(jié)合，在維持電子器件導(dǎo)電性的情況下增強了耐用性，為大規(guī)模生產(chǎn)和多功能應(yīng)用提供了可能，在實現(xiàn)可持續(xù)能源的發(fā)展方面具有很好的開發(fā)前景。

芳綸納米纖維作為一種性能優(yōu)異的納米單元，有效地解決了芳綸纖維本身光滑、化學(xué)反應(yīng)活性低的難題，經(jīng)處理后的納米纖維表面的酰胺基團可以與各種導(dǎo)電材料復(fù)合，極大地豐富了其在電學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。未來芳綸納米纖維在電學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展將更多地集中在以下幾點。

4.1 復(fù)合方法。由于芳綸納米纖維本身表面只有單一的酰胺基團，結(jié)合能力較差，通常需要加入交聯(lián)劑來提高材料的穩(wěn)定性。如何對ANFs 表面進行活性處理仍需要進一步深入的研究。

4.2 導(dǎo)電復(fù)合材料制備方式。目前的芳綸納米基導(dǎo)電復(fù)合材料的制備工藝復(fù)雜且效率低，需要進一步推廣更高效、更環(huán)保的規(guī)?；圃旆椒?。ANFs 在高性能纖維表面構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)中起著不可或缺的作用，然而，關(guān)于纖維與基體界面的應(yīng)力傳遞機理和定量表征的報道很少，ANFs 基導(dǎo)電復(fù)合材料的界面厚度和界面模量梯度變化值得進一步研究，在實際應(yīng)用中也具有重要的意義。

4.3 電學(xué)與力學(xué)性能的平衡。通常情況下，由于芳綸納米纖維的加入，復(fù)合材料的電學(xué)性能會受到影響，如何在不破壞電學(xué)性能的基礎(chǔ)上提高力學(xué)性能也是一個需要不斷研究的過程。

4.4 多功能化與規(guī)?；瘧?yīng)用。目前報道的由芳綸納米纖維制成的材料具有優(yōu)異的機械強度與韌性強的優(yōu)點，在柔性電極制造和聚合物增強等電學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，未來應(yīng)聚焦于如何將這些優(yōu)點與高效、低成本的制備技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)多功能化與規(guī)?；膽?yīng)用。