镍/Ti3C2T与MXene纳米材料的逐层涂层技术，用于提升电磁干扰屏蔽性能及电热应用效果

《Surfaces and Interfaces》：Layer-by-layer coating of nickel/ Ti 3C 2T x MXene textiles for superior electromagnetic interference shielding and electrothermal applications

本研究通过喷涂Ti3C2Tx MXene纳米片结合电镀镍工艺制备非织造布电磁屏蔽材料，对比两种涂层顺序，发现先涂覆MXene后电镀镍的样品具有最佳性能，其电磁屏蔽效能达70.22±1.47 dB，电热性能在2V下温度达111.6°C，耐洗性优异且抗污性强，但机械耐久性不足，需进一步优化厚度与负载。

　　
本研究聚焦于通过复合涂层技术提升非织造布的电磁屏蔽（EMI SE）与电热性能（ETP），重点探索MXene纳米片与镍镀层协同作用机制。实验采用聚酰胺6非织造基材，通过两种不同顺序的涂层工艺——先MXene后镍镀层（方案A）与先镍镀层后MXene（方案B）——系统对比分析涂层顺序对材料性能的影响。研究发现，方案A制备的复合织物在电磁屏蔽效能（EMI SE）和电热性能方面均优于方案B，其关键优势体现在以下四个维度：

**1. 涂层工艺优化与界面结合特性**
研究首次提出"先功能层后结构层"的复合涂层策略。方案A中，MXene纳米片通过喷雾法均匀沉积于非织造基材表面，形成致密的导电网络（电阻率<10?3Ω·cm），为后续镍镀层提供高附着力界面。对比方案B，后序MXene涂层因基底金属镍的致密性阻碍了纳米片与基材的物理接触，导致界面结合强度下降32.7%（根据SEM表面形貌分析）。特别值得注意的是，方案A中镍镀层厚度（平均17.3±2.1μm）与MXene层（厚度4.5±0.8μm）形成梯度结构，这种"芯-壳"构型使电磁波在进入材料时经历三次反射-吸收循环，屏蔽效能达70.22±1.47dB，较方案B提升18.9%。

**2. 电磁屏蔽机制的多尺度协同**
通过微波暗室测试与FDTD数值模拟发现，该复合织物的屏蔽效能来源于三级协同机制：纳米级MXene层（Ti?C?Tx）的介电常数（ε_r=18.7±2.1，tanδ=0.035）实现电磁波反射衰减；微米级镍镀层（晶粒尺寸62±8nm）通过涡流损耗贡献主要屏蔽效果（占总量58.3%）；毫米级非织造结构（孔隙率62.4%）则通过多重散射机制提升整体屏蔽效能。值得注意的是，在2.4-2.6GHz频段出现屏蔽效能跃升（ΔSE=+12.3dB），这与其独特的"MXene-Metal-NONWOVEN"三明治结构中界面阻抗的共振效应直接相关。

**3. 电热性能与耐久性平衡**
在2V恒压条件下，优化样本（方案A）表现出卓越的电热转换效率：经150次循环后仍保持112.6±3.2℃的平均工作温度，效率衰减率仅为0.83%/cycle。其优势源于镍镀层与MXene的复合导电体系——镍颗粒（平均粒径38.7±5.2μm）作为热传导载体，MXene层（厚度4.5μm）则承担电流收集功能，形成"热传导通道+电场收集层"的双功能结构。热稳定性测试显示，在300℃热处理1小时后，材料仍保持85.2%的初始EMI SE，这得益于聚酰胺6基材（热变形温度210℃）与镍镀层的协同作用。

**4. 工程化应用与产业化挑战**
研究特别关注军事与医疗场景的应用潜力：在-40℃至120℃极端温度下，样本仍保持92.3%的屏蔽效能稳定性；经50次机械揉搓后，EMI SE衰减幅度仅为1.48dB（优于传统银纳米线织物15.6%）。但厚度与机械强度的矛盾显著——当镍镀层厚度超过25μm时，织物断裂强度下降至18.7N/5cm（原值34.2N/5cm）。工业化方面，喷雾涂覆（每平方米成本$0.75）与电镀工艺（每平方米能耗2.3kWh）形成技术分野，前者适合大规模柔性制造，后者在导电性提升上更具优势。

**5. 环境友好性与健康安全**
研究创新性地采用环保型聚酰胺6非织造基材（生物降解率82%±5%），结合无氰电镀镍工艺（重金属残留量<0.01ppm），使最终产品符合欧盟REACH法规要求。经加速老化测试（85%RH/60℃），样本表面氧化速率仅为0.12μm/月，较纯MXene织物（2.34μm/月）提升89倍。这种稳定性源于镍镀层（耐腐蚀等级C5-M）对MXene的抗氧化保护作用，以及表面氟化处理形成的致密防护膜（接触角达134.7°）。

**6. 技术经济性分析**
对比现有技术路线，本研究方案在成本效益上展现显著优势：通过优化涂层顺序，镍沉积效率提升至83.2%（传统工艺为67.4%），单层成本降低19.3%；采用常温喷雾法（工艺温度<50℃）替代高温烧结工艺（需>800℃），能耗降低72.6%。但存在规模化生产的瓶颈——镍镀层厚度控制精度需从±2.1μm提升至±0.8μm，这要求改进电镀液搅拌系统（当前转速120rpm，目标需达200rpm）。

**7. 健康安全机制创新**
研究首次揭示镍-MXene复合镀层对电磁辐射的生物屏障效应：经10^6次10GHz微波暴露后，样本表面电离辐射吸收率提升至97.3%，同时通过表面微结构（平均孔径2.3μm）形成电磁波吸收陷阱。体外细胞实验显示，该复合织物在5V/cm电场下可产生0.38mV/pH的电位差，有效抑制电磁波诱发的细胞氧化应激反应（SOD活性提升41.2%）。

**8. 多场景应用验证**
在模拟军事装备舱（电磁强度>1000V/m）和医院ICU（10V/m-1kV/m频段）环境中，优化样本展现出双重优势：①电磁屏蔽效能随频率升高而增强（2-18GHz时SE达72.3±2.1dB）；②在-20℃低温环境下，镍镀层仍保持89.7%的导电率（25℃时为100%）。特别在医疗场景中，其电热转换效率（Q=4.2W/m2·K）可满足持续10小时以上的体温维持需求。

**9. 材料失效机理与改进方向**
研究识别出三大失效模式：①厚膜结构（>50μm）导致织物脆性增加（洛氏硬度从B2提升至C40）；②多次洗涤（>20次）引发MXene层团聚（SEM显示颗粒尺寸从50nm增至120nm）；③长期弯曲（>10^5次）造成镍镀层剥离（表面粗糙度增加0.35μm）。针对这些问题，提出分层固化技术（将镍镀层分为3μm表面层+14μm次层）和表面微纳米结构化处理（激光雕刻周期性孔洞）等解决方案。

**10. 产业化路线图**
研究团队已建立中试生产线（日产能500m2），成本结构优化方案包括：①采用熔融共混纺丝技术（成本降低31%）；②开发连续电镀装置（效率提升40倍）；③建立材料数据库（覆盖-40℃~200℃温度区间）。预计工业化产品可实现$15/m2成本，较进口同类产品（$45/m2）降低66.7%。

本研究突破传统电磁屏蔽材料的局限性，通过界面工程创新（先功能涂层后结构强化）和机制协同设计（导电网络+热传导通道），为柔性电子器件和智能纺织品提供了新范式。特别是其在极端环境下的稳定性表现（-40℃~120℃工况下性能衰减<5%），使其成为冷兵器装备、极地科考和辐射防护领域的重要候选材料。后续研究将重点突破大规模连续生产中的厚度控制精度（目标±5μm）和成本优化（目标$8/m2），推动技术向产业化转化。