一种具有热管理性能和电磁屏蔽功能的复合相变阻燃材料及制备方法和应用

摘要

本发明属复合相变材料设计合成和电磁屏蔽技术领域，为解决目前复合相变材料热管理、电磁屏蔽和阻燃功能无法兼容的问题，提供一种具有热管理性能和电磁屏蔽功能的复合相变阻燃材料及制备方法和应用。在作为热管理介质的相变材料中加入“手风琴状”结构的MXene作为形状骨架和导热剂，加入阻燃剂Mg(OH)2充分混合杂化，抽滤得到复合相变材料，其可以直接应用于商业化的新型电子封装系统中。制备工艺简单，成本低廉，成果易转化，有较高潜在经济价值，社会及生态效益突出；所制备的复合相变材料结合了优异的形状稳定性、高效的热管理能力和电磁屏蔽性能，在微电子封装、电池热管理、热能存储和智能建筑等领域展现出广阔的应用前景。

权利要求

1.一种具有热管理性能和电磁屏蔽功能的复合相变阻燃材料在电磁干扰EMI屏蔽中的应用，其特征在于：所述复合相变阻燃材料为：在作为热管理介质的相变材料中加入“手风琴状”结构的骨架材料作为形状骨架和导热剂，加入阻燃剂充分混合杂化，抽滤得到复合相变阻燃材料；其中所述骨架材料为MXene；所述相变材料为PEG；所述阻燃剂为Mg(OH)2；所述骨架材料、相变材料和阻燃剂三者的质量比是：1 1.5:7 8:1 1.5；

~ ~ ~

所述复合相变阻燃材料作为电子封装材料包覆于电器或电池上。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述骨架材料为“手风琴状”结构的MXene；

所选相变材料为PEG；所选阻燃剂为Mg(OH)2。

3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于：所述相变材料为膜、固体粉末或块体中的任意一种。

4.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于：具体应用方法为：将所述复合相变阻燃材料包覆在电器或电池上，利用热电偶测温装置监测温度变化，获取不同工作环境下的实时温度、平均温度、温度差等数值，用以表征热管理性能，通过矢量网络分析仪VNA测试其电磁屏蔽效率，通过酒精灯加热实验验证其阻燃性能。

5.根据权利要求4中所述的应用，其特征在于：电池热管理系统的包装材料为铝合金、铜或铁中的任意一种，散热片为任意金属。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述散热片为泡沫镍或泡沫铜。

7.制备具有热管理性能和电磁屏蔽功能的复合相变阻燃材料的方法，所述复合相变阻燃材料为权利要求1中所述复合相变阻燃材料，其特征在于：具体步骤如下：a) 制备MXene骨架：以Ti3AlC2 MAX相前驱体为原料，用氟化锂LiF和12 M盐酸刻蚀法制备Ti3C2Tx纳米片，具体为：将2 g LiF加入到30 mL 12 M HCl溶液中，连续搅拌30 min，然后将2 g Ti3AlC2 MAX相前驱体加入到上述溶液中，在35℃下保持搅拌24 h，刻蚀过程中将Al层去除；在得到的溶液中加入去离子水，8000 rpm离心10 min，离心结束后，将上清液倒出，继续加入去离子水，重复上述操作6‑7次，直至上清液pH为6，洗涤结束；然后，在惰性气氛、

0‑30℃低温下，用乙醇40 kHz超声10 min，超声期间用冰袋或者冰块降温，得到多层超薄MXene纳米片；在‑40℃下冷冻干燥48 h，得到固体MXene骨架；

b）制备复合膜：抽滤制备MXene@PEG/Mg(OH)2或MXene@PEG复合膜：将2 g PEG粉末加入到50 mL Ti3AlC2溶液或40 mL Ti3AlC2溶液和0.1 g Mg(OH)2的混合溶液中，在30℃下搅拌，使其充分溶解，得到质量比为8:2的MXene与PEG均相混合物；搅拌30分钟后，将PEG和步骤a)中所制备的固体MXene骨架倒入过滤装置；抽滤，得到MXene@PEG/Mg(OH)2或MXene@PEG超薄混合膜；

c）制备终产物：将步骤b)中所得的MXene@PEG/Mg(OH)2或MXene@PEG超薄混合膜置于60℃的真空干燥箱中，保温12 h；当薄膜完全固化后，得到形状稳定的MXene@PEG/Mg(OH)2或MXene@PEG复合材料。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤a)中所述的惰性气氛为N2或Ar。

说明书

一种具有热管理性能和电磁屏蔽功能的复合相变阻燃材料及

制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于复合相变材料设计合成和电磁屏蔽技术领域，具体涉及一种具有热管理性能和电磁屏蔽功能的复合相变阻燃材料及制备方法和应用。

背景技术

[0002] 相变材料在潜热储存的应用中起着主导作用，它可以在热量过剩时储存，在需要热量时释放，就像储水池中的水一样，它可以一定程度上克服能源供需之间的时空不匹配问题。由于其可在相变过程中储存/释放热量、低成本、易获取等突出特点，相变材料被广泛应用于太阳能转换和储存、电子热管理、建筑节能、余热利用和非高峰电力热储存系统等领域。

[0003] 在日常生活中，出现了大量的小型化和高频通信电子设备。因此，电磁辐射逐渐成为人们需要面对的一个重要问题，它不仅会降低设备的运行精度，甚至危害人类健康。为了解决这些问题，EMI屏蔽材料的开发迫在眉睫。典型的EMI屏蔽材料会将大部分电磁辐射转化为热量，其持续暴露在电磁源中会导致大量热量积聚，最终可能导致设备损毁。解决EMI材料的热管理问题可以保护小型化和高频电子设备，这与前述相变材料的热能储存需求相一致。因此，亟需开发先进且将高EMI屏蔽和有效热管理能力结合起来的电子封装复合材料。

[0004] 固液有机相变材料因其优越的性能而被认为是上述复合材料中理想的候选者，包括合适的相变温度、优异的化学稳定性、无毒性、低腐蚀性、易获取、和可忽略的过冷等特性。然而，其相变过程中的液体泄漏问题和低导热系数是两个长期存在的致命缺陷，导致其应用受到了一些阻碍。如果不能合理解决这两个问题，固液有机相变材料的泄漏将降低热管理性能；导热系数不足会降低电子产品充放电速度。

[0005] 为了解决这些缺陷，目前主要采用两种方法：一是加入不同的添加剂来制备高导热相变复合材料，二是使用形状骨架或形状稳定技术将相变材料固定，骨架不仅可以防止相变材料泄漏，还可以增强复合材料的性能，这种方法还允许将复合相变材料加工成所需的形状。基于PEG的聚氨酯是复合相变材料中的代表性产品，其中PEG与聚氨酯骨架共价结合，以确保相变过程中的形状稳定性，但使用时仍需克服相变材料的低热导率问题。此外，其缺乏EMI屏蔽功能，目前尚未有研究致力于探索集高热导率、力学稳定性能、电磁屏蔽功能、阻燃性能与一体的电子封装复合相变材料。

发明内容

[0006] 本发明为解决目前复合相变材料热管理能力、电磁屏蔽功能和阻燃特性无法兼容的问题，提供了一种具有热管理性能和电磁屏蔽功能的复合相变阻燃材料及制备方法和应用。

[0007] 本发明是由如下技术方案实现的：一种具有热管理性能和电磁屏蔽功能的复合相变阻燃材料在电磁干扰EMI屏蔽中的应用，所述复合相变阻燃材料为：在作为热管理介质的相变材料中加入“手风琴状”结构的骨架材料作为形状骨架和导热剂，加入阻燃剂充分混合杂化，抽滤得到复合相变阻燃材料；其中所述骨架材料为MXene、PPY或碳化明胶中的任意一种；所述相变材料为PEG、葵酸、十二醇或十八烷中的任意一种；所述阻燃剂为Mg(OH)2、DBDPO或溴化聚苯乙烯中的任意一种；所述骨架材料、相变材料和阻燃剂三者的质量比是：11.5:7 8:1 1.5；所述复合相变阻燃材料作为电子封装材料包覆于电器或电池上。
~ ~ ~

[0008] 所述骨架材料为“手风琴状”结构的MXene；所选相变材料为PEG；所选阻燃剂为Mg(OH)2。

[0009] 进一步的，所述相变材料为膜、固体粉末或块体中的任意一种。

[0010] 本发明还提供了制备具有热管理性能和电磁屏蔽功能的复合相变阻燃材料的方法，具体步骤如下：

[0011] a）制备MXene骨架：以Ti3AlC2 MAX相前驱体为原料，用LiF和12 M HCl刻蚀法制备Ti3C2Tx纳米片，具体为：将2 g LiF加入到30 mL 12 M HCl溶液中，连续搅拌30 min，然后将2 g Ti3AlC2 MAX相前驱体加入到上述溶液中，在35℃下保持搅拌24 h，刻蚀过程中将Al层去除；在得到的溶液中加入去离子水，以8000 rpm的转速离心10 min，离心结束后，将上清液倒出，继续加入去离子水，重复上述操作6‑7次，直至上清液pH为6，洗涤结束；然后，在惰性气氛（N2或Ar）、0‑30℃低温下，用乙醇40 kHz超声10 min，超声期间用冰袋或者冰块降温，得到多层超薄MXene纳米片；在‑40℃下冷冻干燥48 h，得到固体MXene骨架；

[0012] b）制备复合膜：抽滤制备MXene@PEG/Mg(OH)2或MXene@PEG复合膜：将2 g PEG粉末加入到50 mL Ti3AlC2溶液或40 mL Ti3AlC2溶液和0.1 g Mg(OH)2的混合溶液中，在30℃下搅拌，使其充分溶解，得到质量比为8:2的MXene与PEG均相混合物；搅拌30分钟后，将PEG和步骤a)中所制备的固体MXene骨架倒入过滤装置；抽滤，得到MXene@PEG/Mg(OH)2或MXene@PEG超薄混合膜；

[0013] c）制备终产物：将步骤b)中所得的MXene@PEG/Mg(OH)2或MXene@PEG超薄混合膜置于60℃的真空干燥箱中，保温12 h；当薄膜完全固化后，得到形状稳定的MXene@PEG/Mg(OH)2或MXene@PEG复合材料。

[0014] 本发明还研究了所述具有热管理性能和电磁屏蔽功能的复合相变阻燃材料的具体应用方法为：将所述复合相变阻燃材料包覆在电器或电池上，利用热电偶测温装置监测温度变化，获取不同工作环境下的实时温度、平均温度、温度差等数值，用以表征热管理性能，通过矢量网络分析仪VNA测试其电磁屏蔽效率，通过酒精灯加热实验验证其阻燃性能。

[0015] 电池热管理系统中包装材料为铝合金、铜或铁中的任意一种，散热片为任意金属，优选泡沫镍或泡沫铜。

[0016] 本发明通过在PEG中引入MXene骨架，制备了形状稳定且具有高导热性和高潜热的复合相变材料MXene@PEG，同时该膜还具备EMI屏蔽功能，并在其表面上附着一层高效的阻燃剂Mg(OH)2。

[0017] 通过扫描电子显微镜（SEM）和比表面积（BET）测试，证实MXene@PEG/Mg(OH)2多功能复合材料具有“MXene为骨架，PEG均匀包覆，Mg(OH)2附着在外表面”的三层结构，由于MXene的层间毛细管效应，在固液相变过程中，液相PEG可以被锁定在MXene@PEG/Mg(OH)2中，从而显著增强复合材料的形态稳定性。此外，MXene@PEG/Mg(OH)2在20‑100℃范围内具有有效的吸热和放热能力，其相变焓为153.72 J/g，热导率提高到0.95 W/m·K，这比热导率为0.26W/m·K的PEG高出约269%。

[0018] 0.18mm MXene@PEG/Mg(OH)2的电磁干扰屏蔽效能（EMI SE）值在X波段频率范围内高达38.8 dB，远高于EMI屏蔽材料的商业标准（20 dB）。

[0019] 由于Mg(OH)2的高效阻燃作用，在高温环境下复合膜能保护其覆盖的物品，给微电子封装领域提供了一条新的思路。

[0020] 本发明中所制备的具有热管理性能和电磁屏蔽功能的复合相变阻燃材料结合了优异的形状稳定性、高效的热管理能力、EMI屏蔽性能和阻燃特性，其在微电子封装、电池热管理、热能存储和智能建筑等领域展现出了广阔的应用前景。

附图说明

[0021] 图1为实施例1的合成路径图；

[0022] 图2为样品的SEM图和透射电镜（TEM）图；(a)为多层Ti3C2Tx的SEM图；(b)为Ti3C2Tx纳米片的（晶格分辨）TEM图；(c)为Ti3C2Tx纳米片的晶格间距；(d)和(e)分别为MXene和MXene@PEG的表面SEM图；(f)和(g)分别为MXene@PEG/Mg(OH)2的表面和截面SEM图；(h)为MXene@PEG/Mg(OH)2的局部表面放大SEM图和其C、Ti、O、Mg元素的能量色散X射线谱仪（EDS）图；

[0023] 图3(a)为N2气氛下的PEG、MXene、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的吸脱附曲线；(b)为样品的孔径分布图；(c)和(d)分别为MXene@PEG/Mg(OH)2在水及PEG上的接触角实验结果；

[0024] 图4为样品的X射线光电子能谱（XPS）图；(a)为MXene、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2样品的XPS光谱图；(b)为MXene@PEG/Mg(OH)2高分辨率C 1s的XPS光谱；(c)为MXene@PEG/Mg(OH)2高分辨率O 1s的XPS光谱；(d)为MXene@PEG/Mg(OH)2高分辨率F 1s的XPS光谱；(e)为MXene@PEG/Mg(OH)2高分辨率Ti 2p的XPS光谱；(f) 为MXene@PEG/Mg(OH)2高分辨率Mg 
1s的XPS光谱；

[0025] 图5为样品的X射线衍射仪（XRD）、傅立叶变换红外吸收光谱仪（FT‑IR）、热重分析（TG）和差示扫描量热仪（DSC）测试结果；(a)和(b)分别为MAX、MXene、PEG、Mg(OH)2、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的XRD谱图和FT‑IR谱图；(c)和(d)分别为MXene、PEG、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的TG曲线和DSC曲线；

[0026] 图6为泄露率验证实验图；(a)为PEG、MXene、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的形状稳定性测试结果；(b)为PEG、MXene、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的泄露率；

[0027] 图7为样品的热导率测试结果；

[0028] 图8为MXene、MXene@PEG膜和MXene@PEG/Mg(OH)2复合膜的机械性能测试结果；

[0029] 图9为电池温度测试平台示意图；

[0030] 图10为样品包覆的电池表面温度随时间变化的曲线图；(a)为20℃环境温度下电池表面的温度‑时间曲线；(b)为55℃环境温度下电池表面的温度‑时间曲线；

[0031] 图11(a)为PEG、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的电导率；(b)为PEG、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的EMI SE性能图；(c)为10 GHz频率下PEG、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2三者的SET、SEA和SER性能图；(d)为MXene@PEG/Mg(OH)2的电磁屏蔽机理图；

[0032] 图12为样品的阻燃性能图；(a)为PEG在酒精灯加热1‑10s内的燃烧图；(b)为MXene@PEG在酒精灯加热1‑10s内的燃烧图；(c)为MXene@PEG/Mg(OH)2在酒精灯加热1‑10s的阻燃现象图。

具体实施方式

[0033] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0034] 除非另有定义，所有在此使用的技术和科学术语，和本发明所属领域内的技术人员所通常理解的意思相同，在此公开引用及他们引用的材料都将以引用的方式被并入。

[0035] 本领域技术人员意识到的通过常规实验就能了解到的描述的特定实施方案的等同技术，都将包含在本申请中。

[0036] 下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的仪器设备，如无特殊说明，均为实验室常规仪器设备；下述实施例中所用的实验材料，如无特殊说明，均为由常规生化试剂商店购买得到的。

[0037] 实验材料：MAX（Ti3AlC2，纯度约99%）粉末，200目，购于中国吉林十一号科技有限公司。LiF、Mg(OH)2和PEG‑6000（Mn = 6000 g/mol，99 wt%）购自上海阿拉丁化学试剂有限公司。HCl和无水乙醇购自中国天津高宇精细化工有限公司。

[0038] 制备一种MXene骨架搭载PEG构建具有热管理性能和电磁屏蔽功能的复合相变阻燃材料的方法，具体实例如下：

[0039] 实施例1：MXene@PEG/Mg(OH)2的制备：合成流程如图1所示。首先将2g PEG粉末加入到40 mL Ti3AlC2溶液和0.1 g Mg(OH)2的混合溶液中，在30℃下搅拌，使其充分溶解，得到了质量比为8:2的MXene与PEG均相混合物；搅拌30 min后，将MXene和PEG混合物倒入过滤装置；开始抽滤过程，得到超薄混合膜；为避免PEG低温结晶，将混合物置于60℃的真空干燥箱中保温12 h；待薄膜完全固化后，可以得到形状稳定的MXene@PEG/Mg(OH)2复合材料。

[0040] 对比例1：MXene的制备：不添加2g PEG和0.1 g Mg(OH)2，其余方法同实施例1所述方法一致。具体制备步骤为：取50 mL Ti3AlC2溶液，因其长时间低温放置底部会有部分固体沉淀，所以在30℃下搅拌30min，使其充分溶解后，将澄清溶液倒入过滤装置；抽滤，得到超薄MXene混合膜；MXene终产物同样采用真空烘箱在60℃下烘干12 h而得。

[0041] 制备所得MXene@PEG/Mg(OH)2的实际应用：将制备的复合膜包覆在电器或电池表面，利用热电偶测温装置监测温度变化，获取不同工作环境下的实时温度、平均温度、温度差等数据，以表征复合材料的热管理性能，通过VNA测试电磁屏蔽效率，通过酒精灯加热实验验证复合材料阻燃性能。

[0042] 实施例2：MXene@PEG的制备：用50 mL Ti3AlC2溶液替换实施例1中的40 mL Ti3AlC2和0.1 g Mg(OH)2混合溶液，其余方法同实施例1所述。

[0043] 制备所得MXene@PEG的实际应用：用MXene@PEG替换实施例1中的MXene@PEG/Mg(OH)2，其他方法同实施例1所述方法一致。

[0044] 实施例3：MXene@葵酸/Mg(OH)2制备：用2 g葵酸替换实施例1中的2 g PEG，其余方法同实施例1所述。

[0045] 制备所得MXene@葵酸/Mg(OH)2的实际应用：用MXene@葵酸/Mg(OH)2替换实施例1中的MXene@PEG/Mg(OH)2，其他方法同实施例1所述方法一致。

[0046] 实施例4：MXene@十二醇/Mg(OH)2制备：用2 g十二醇替换实施例1中2 g PEG，其余方法同实施例1所述。

[0047] 制备所得MXene@十二醇/Mg(OH)2的实际应用：用MXene@十二醇/Mg(OH)2替换实施例1中的MXene@PEG/Mg(OH)2，其他方法同实施例1所述方法一致。

[0048] 实施例5：MXene@十八烷/Mg(OH)2的制备：用2 g十八烷替换实施例1中2 g PEG，其余方法同实施例1所述。

[0049] 制备所得MXene@十八烷/Mg(OH)2的实际应用：用MXene@十八烷/Mg(OH)2替换实施例1中的MXene@PEG/Mg(OH)2，其他方法同实施例1所述方法一致。

[0050] 实施例6：MXene@PEG/DBDPO的制备：用0.1 gDBDPO替换实施例1中0.1g Mg(OH)2；其余方法同实施例1所述。

[0051] 制备所得MXene@PEG/DBDPO的实际应用：用MXene@PEG/DBDPO替换实施例1中的MXene@PEG/Mg(OH)2，其他方法同实施例1所述方法。

[0052] 实施例7：MXene@PEG/溴化聚苯乙烯的制备：用0.1 g溴化聚苯乙烯替换实施例1中0.1 g Mg(OH)2；其余方法同实施例1所述。

[0053] 制备所得MXene@PEG/溴化聚苯乙烯的实际应用：用MXene@PEG/溴化聚苯乙烯替换实施例1中的MXene@PEG/Mg(OH)2，其他方法同实施例1所述方法一致。

[0054] 对实施例1、对比例1以及实施例2中所得到的有机‑微胶囊复合相变材料进行相关性质的表征：

[0055] 例1：材料微观形貌表征：为了研究合成的Ti3C2Tx和复合膜的微观形貌，进行了SEM和TEM测试，结果如图2所示。图2(a)显示，得到的均匀多层Ti3C2Tx呈“手风琴状”结构，这是由HCl和LiF合成的氟化氢（HF）酸腐蚀MAX中的Al元素导致的。利用TEM进一步表征了材料的结构和形貌特征。对于剥落的MXene纳米片，在图2(b)和(c)中观察到了横向尺寸为0.5‑1.0μm的典型单层或多层结构，表明二维MXene纳米片已成功剥落，并通过晶格分辨TEM（HRTEM）进一步得到MXene的晶格间距，为0.2 nm。图2(d)、(e)、(f)和(h)分别显示了MXene、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的膜表面和横截面SEM图：与纯MXene相比，MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的膜表面更加致密，其横截面出现的互穿网络结构是由于PEG的有限排列和取向所致。此外，从图(f)的局部放大图(h)中可以观察到EDS元素映射图像，显示了C、Ti、O、Mg四种元素在PEG基体中的分布，同时也显示了MXene在基体中的分布。

[0056] 例2：材料气体吸附、孔径分布、接触角等选择和兼容性验证：图3(a)中，MXene的N2吸脱附曲线相较于其他三种样品在中高压区具有明显的“回滞环”，说明了MXene具有明显的介孔结构，而其他三种材料的吸脱附曲线趋势基本一致，即PEG、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2三种样品是大孔结构，图3(b)中的孔径分布图也印证了此结论。在图3(b)中，MXene样品的孔径分布主要集中在4nm左右，同时可以看出其N2吸附量和孔径分布明显减小，结合SEM图的结果，证实了MXene作为骨架已被PEG完全包覆。

[0057] 为了研究PEG、MXene和Mg(OH)2三者间亲和力的影响，测定了水和PEG溶液在MXene/Mg(OH)2膜表面的接触角，如图3(c)和(d)所示。可以看到，PEG在MXene/Mg(OH)2上的接触角比水小，分别为41.78°和41.85°，PEG对MXene/Mg(OH)2表现出较佳相容性。

[0058] 例3：材料XPS光谱分析：图4(a)为MXene、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2样品的XPS光谱图，在200‑1350 eV测量区域，观察到C 9991s、O 1s、F 1s和Ti 2p的共同峰，而在样品中未检测到Al元素，进一步证明MAX相中的Al原子已被酸完全腐蚀，这也表明MXene中O、OH、F基团的存在。随着MXene纳米片的引入，在MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的XPS光谱中，Ti元素和F元素的轨道分别出现在 457 eV和 685 eV。结果表明，通过简单的浸渍工艺~ ~可将MXene成功地复合到PEG中。此外，MXene@PEG/Mg(OH)2样品显示了一个额外的强Mg 1s峰，表明Mg(OH)2成功地加入到样品中。

[0059] 图4(b)为MXene@PEG/Mg(OH)2的高分辨率C 1s XPS解卷积谱，其分离的六个子峰分别对应于C‑Ti (281.4 eV)、C‑Ti‑C (282.8 eV)、C‑C (284.6 eV)、C‑O (285.6 eV)、C=O (287.1 eV)和归属于PEG的O‑C=O (289.1 eV)键。同样地，图4(c)中所示的O 1s光谱由位于529.1 eV、531.3 eV和533.1 eV的三个峰值拟合而成，分别属于TiO2、C‑Ti‑O和C‑Ti‑(OH)x。
对于图4(d) F 1s区域，以684.7 eV和685.3 eV为中心的峰值归因于Ti‑F和TiO2−xFx。此外，结合能686.4 eV处的峰值被指定为微量AlFx，这是腐蚀过程中的副产品，其中Al元素源自Ti3AlC2粉末前驱体MAX。

[0060] 在图4(e)中Ti 2p能级可反卷积为4对2p3/2/2p1/2双线，同时2p3/2又可分为Ti‑C(454.4 eV)、Ti (II,455.1 eV)、Ti (III,456.2 eV)和Ti‑O(458.4 eV)。图4(f)中Mg 1s的特征峰位于1303.8 eV处，这是Mg(OH)2中Mg‑O/Mg‑OH的特征峰。采用XPS分析方法对MXene@PEG/Mg(OH)2的表面化学进行了研究，结果表明该膜内存在MXene中的C、O、F和Ti元素和PEG与Mg(OH)2的特征键能。Al元素消失的信号证实了HCl/LiF的蚀刻效应。以上结果证明了通过HCl/LiF刻蚀和振动剥离可成功获取超薄MXene纳米片。此外，MXene极性纳米片由于具有许多亲水基团，如‑O、‑OH、‑F，其可以很好地分散在水中，有利于MXene基复合材料的制备，并且没有新的化学键生成，说明MXene、PEG、Mg(OH)2三者之间只是物理结合，不存在化学反应。

[0061] 例4：样品XRD晶体结构与FT‑IR官能团表征：采用XRD技术对MXene和所得复合相变膜的晶体结构进行了研究，结果如图5(a)所示。原材料MAX相的特征峰在2θ=9.5°(002)、19.2°(004)、34.0°(101)、38.7°(104)、41.8°(105)和48.4°(107)处，高强度的(002)和(104)峰表示形成了具有高度结晶性质的微粒。MAX经HF处理后促使Al颗粒从Ti3AlC2相结构中刻蚀出，即所有Ti3AlC2特征峰均消失。

[0062] 值得注意的是，特征峰9.5°(002)移到了较低的值（7.4°(002)），证明了MXene通过插层效应形成了更大的层间距离。PEG有两个主峰，其峰值分别为19.0°和23.5°，分别对应PEG晶体的(120)和(032)平面，并且体现了良好的结晶能力。

[0063] Mg(OH)2粉末的特征峰分别为18.5°(001)、37.9°(101)、50.7°(102)和58.6°(110)，其尖峰表明Mg(OH)2具有较高的结晶度。将分散的MXene纳米片和PEG与Mg(OH)2进行复合，制成相变复合膜，MXene@PEG/Mg(OH)2的XRD图谱表明其对PEG的晶体结构几乎没有影响。在所有的复合材料图谱中都没有出现新的特征峰，而主要表现为组分特征峰的组合，即只剩下相对应填料的峰，表明各组分之间只是物理结合，并没有发生化学反应。

[0064] 为了鉴定所制备材料的官能团，采用FT‑IR进行检测，结果如图5(b)所示。可以注‑1 ‑1意到，所有样品均存在1640 cm 和3430 cm 位置的两个主峰，属于O‑H振动，表明物理吸附‑1
的H2O分子通过H键进行复杂结合。此外，所有样品在2840 cm 处的小峰对应对称的C‑H拉伸‑1 ‑1
带。MAX和MXene的红外特征峰基本一致，都出现在1067 cm 和2928 cm 处，这分别归属于‑1 ‑1
C‑O和C‑H的拉伸振动。PEG在1110 cm 和2885 cm 处的吸收峰分别属于C‑O‑C和‑CH2的伸缩‑1 ‑1 ‑1 ‑1
振动，而在1360 cm 和1470 cm 处的吸收峰属于C‑H键。纯Mg(OH)2在1380 cm 和3700 cm处有两个强峰，分别归因于O‑H弯曲和拉伸振动，它们是Mg(OH)2的特征峰。

[0065] 然而，对于MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2，所有吸收峰都可归因于MXene、PEG和Mg(OH)2，并且没有发现明显的新峰，复合膜材料的红外光谱是各组分红外曲线的简单物理叠加，印证了MXene、PEG和Mg(OH)2三者之间只有物理吸附，没有发生任何化学反应。

[0066] 例5：材料热稳定性测试：热稳定性是储能应用过程中需要考量的重要指标之一。MXene、PEG、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2在N2气氛下的TG曲线如图5(c)所示，通过分析热分解温度和600℃下残留物的含量，可评估材料的热性能。从图5(c)中可以明显看出，MXene的热稳定性良好，其在600℃高温下的质量损失可以忽略不计，而PEG在N2气氛下的分解温度为300℃，在600℃时的剩余质量为4%，这可能是由于杂质的存在。MXene和PEG二者结合的产物MXene@PEG复合膜的分解温度为348℃，其分解温度较PEG而言明显后移，热稳定性有所提高，这是因为其结构中以高稳定性的MXene为骨架，从而能在高温下有效地保护填充在骨架间的PEG。此外，由于高性能阻燃剂Mg(OH)2的加入，MXene@PEG/Mg(OH)2的分解温度进一步提高了36℃，这是由于材料表面的Mg(OH)2在高温下受热分解时释放出了结合水，吸收了大量的潜热，降低了表面温度，从而延缓了MXene@PEG/Mg(OH)2复合膜的进一步热解。Mg(OH)2作为一种填充性阻燃剂，具有抑制聚合物分解和冷却可燃气体产物的作用，而其热分解生成的MgO又是良好的耐火材料，也能帮助提高复合材料的抗火性能，同时Mg(OH)2受热放出的水蒸气也可作为一种抑烟剂，降低了可燃物的烟气产生量，使得MXene@PEG/Mg(OH)2膜更加稳定和环保。

[0067] 为了进一步了解材料的吸放热能力，用DSC对MXene、PEG、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2膜进行了测试，结果如图5(d)所示。DSC通过比较吸热（熔化，负信号）转变的温度来表征材料的潜热储存能力。MXene并没有表现出明显的吸热过程，表明在20‑100℃区间内MXene并没有发生相变反应。PEG表现出了明显的吸热过程，其熔点Tm为61.9℃，热焓值ΔH为178.17 J/g，是良好的储能吸热材料。吸热和放热特性取决于晶畴的熔化和结晶参量，表明PEG具有良好的结晶能力，这与XRD结果一致。然而，MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的潜热明显低于纯PEG，分别减少了12.4%和13.7%，这是由于部分MXene的存在使得PEG的相对含量减少，而用于保持形状稳定性的增强材料MXene在加热和冷却过程中不能参与相变，从而导致MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的ΔHm显著降低。此外，MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的相变行为也不同于纯PEG，由于MXene和Mg(OH)2可以在加热和冷却过程中抑制PEG链的自由移动，因此其Tm均低于PEG，分别低了2.5℃和2.8℃。

[0068] 例6：材料泄漏率测试：易泄漏是大多数有机相变材料的主要缺陷，因此选择在常见工作温度区间20‑80℃范围内进行了渗漏率测试，结果如图6(a)所示，将1g的不同样品块分别放在培养皿中的滤纸上，用烘箱模拟工作环境的封闭条件，通过改变烘箱温度模拟实际工作中的环境温度条件，分别在20、40、60和80℃下加热1h。为了直观地展示材料的形状稳定性，拍摄样品的数码照片，记录其变化。通过实验结果发现，在60℃下，PEG样品开始发生相变，而其他样品表面依然完整，通过称取物质加热前后的质量变化，发现MXene、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2几乎不发生泄露。在整个60℃的1h测试中，只有PEG样品在滤纸表面上留下少量泄漏痕迹，而其他含MXene的样品热稳定性良好，表明MXene的存在抑制了PEG的泄露。在80℃的条件下，可以清楚地观察到，纯PEG不能有效保持形状稳定性，在固液相变过程中会出现严重的泄漏。相比之下，MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2样品中并没有液体泄漏，其在固液相变过程中具有良好的形状稳定性，这主要是由于MXene具有独特的二维层状结构，能够容纳更多的液相，从而提供毛细管和表面张力，以锁住液相。

[0069] 此外，测量了样品在不同加热温度前后的质量，通过公式(1)对其进行处理分析后，计算得出样品的泄露率（L），具体结果见表1。如图6(b)所示，MXene的存在可以有效抑制PEG的泄露，使得含MXene的材料泄露率都不超过1%。随着环境温度的升高，样品的形状稳定性仍保持良好。

[0070] ；其中M0是加热前的质量；Mx是加热后的质量。

[0071] 表1：PEG、MXene、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2在20‑80℃下的泄露率[0072]

[0073] 例7：材料热导率和力学性能分析：EMI屏蔽设备可将吸收的大部分电磁辐射转化为热量，因此，电子系统中EMI屏蔽材料的热管理性能至关重要，热导率同时是反映相变材料热传输效率的重要参数，是评价相变材料性能的主要指标之一。理想情况下，应用于热管理系统中的材料往往需要高导热性。为了评价所设计合成复合材料的应用潜力，对其热导率进行了表征，结果如图7所示。在30℃的测试温度下，采用瞬态平面热源法（TPS）将粉末进行压片，在热常数分析仪中测量样品的热导率，得到PEG、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的热导率分别为0.26、0.96和0.95 W/m·K。由于PEG聚合物的短链结构，导致了聚合物体现出其固有低热导性，而10%质量比MXene的加入使得MXene@PEG的热导率约为纯PEG的269%。在MXene@PEG/Mg(OH)2中，少量Mg(OH)2的加入对复合材料的热导率并没有产生较大影响，其热导率约为纯PEG的265%。复合材料热导率增加的原因是高导热系数的MXene纳米片作为骨架均匀地分散在PEG基体中，在复合物中形成三维的热传导路径，提高了复合膜材料的热导性。

[0074] 此外，还对MXene、MXene@PEG膜和MXene@PEG/Mg(OH)2膜三种样品进行了机械性能测试，结果如图8所示。由于纯MXene无法成膜，其机械性能很差，加入了PEG后，材料的机械性能得到了明显改善，MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的拉伸强度分别为20.53和20.98 MPa，断裂伸长率分别为2.23%和2.74%，这得益于MXene和PEG分子链之间的强界面作用，MXene的加入可以促进PEG内部形成更紧密的结构，从而改善了力学性能，满足了实际工作环境中对于稳定机械性能的需求。

[0075] 例8：材料应用于电池热管理系统的安全性能分析：为了评估所制备的MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2复合膜材料的温度控制性能，本发明中设计开发了一款电池充放电温度测试装置，如图9所示。片状的锂电池（型号：SGP CN BL‑5b）被放置在一个烘箱内，将复合膜和热电偶贴在电池表面，采用充放电测试仪对电池进行周期性充放电，以模拟实际工作条件，电池循环充放电程序设定见表2。

[0076] 表2：电池循环充放电程序

[0077]

[0078] 将热电偶连接数据采集装置，通过测试热管理系统中商业锂电池的表面温度，来表征复合膜材料的性能。实验采取基于空气介质的电池热管理系统作为空白组，分别选用MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2为实验组，测试其散热性能，在不同环境温度下，电池表面峰值温度数据见表3，电池表面温度随充放电程序时间变化的结果如图10(a)和(b)所示。

[0079] 表3：不同环境温度及热管理系统介质下的电池表面峰值温度

[0080]

[0081] 图10(a)中，可以清楚地观察到，在20℃的环境下，与以空气为介质的电池热管理系统（空白组）相比，MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2热管理系统中电池表面温度虽有下降但不明显，这是由于在环境温度未达到PEG的相变温度时，复合膜几乎不吸收热量，而温度下降的主要原因归功于MXene骨架的高导热性，MXene可将表面部分热量快速地传递出去。而在55℃的环境下，MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2热管理系统中电池表面温度较空气组分别下降了4.5和4.9℃，变化较为明显，表明PEG在相变过程中已将部分热能转化为潜热。

[0082] 空气组电池在2C充放电倍率下多次循环的表面峰值温度分别为29.0和64.5℃，较20和55℃的环境温度分别升高了9.0和9.5℃，而MXene@PEG/Mg(OH)2组电池分别较环境温度升高了7.0和4.6℃。相较之下，MXene@PEG/Mg(OH)2样品的散热性能最出众，是实际应用中的首要选择。此外，从图10中可以看出，MXene@PEG/Mg(OH)2组电池的温度变化率在所有样品中是最快的，这表明其优越的导热和散热性能，这可以归因于MXene的存在。在高温下，热量被PEG吸收存储，同时又被MXene传递，在二者的双重作用下，电池表面温度得到有效控制，即复合膜样品对电池的工作环境具有明显散热效果，从而可以有效保护电池的正常工作温度，降低电池发生热失控乃至火灾事故的可能性。

[0083] 例9：材料EMI屏蔽性能测试：通常，EMI屏蔽性能与电导率成正比。图11(a)显示了不同样品的导电性，可以看出，随着MXene的加入，复合材料的电导率大幅提升。纯PEG的电‑12导率为1.17×10  S/m，而MXene@PEG的电导率提升至0.0412 S/m，即掺入10 %质量比的MXene可使电导率增长10个数量级。

[0084] 进而，在X波段测试了平均厚度为0.18mm的PEG、MXene/PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的EMI SE，结果如图11(b)所示。作为绝缘聚合物，PEG对EMI辐射是透明的，因此PEG的EMI SE可以忽略不计。由于MXene的存在，MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的EMI屏蔽性能得到改善，其EMI SE值分别能达到为35.6和38.8 dB，超出EMI屏蔽材料的商业标准（20 dB）。

[0085] 为了阐明EMI屏蔽机制，图11 (c)和表4中列出了PEG、MXene/PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2三种样品在10 GHz下的总EMI SE（SET）、吸收SE（SEA）和反射SE（SER）值。显然，MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的SEA值远高于SER值。例如，10 GHz下厚度为0.18 mm的MXene@PEG的SET、SEA和SER分别为33.56、24.12和9.44 dB，其中SEA占SET的72%。

[0086] 表4：0.18 mm的PEG、MXene@PEG 和MXene@PEG/Mg(OH)2的EMI SE性能值[0087]

[0088] 综上可知MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的EMI SE主要由微波吸收决定，因此，将本专利实施例应用为电池屏蔽材料时，可减少由微波反射引起的二次EMI污染。图11 (d)显示了MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的EMI屏蔽作用机理。入射电磁波从空气中撞击复合材料表面，由于空气和复合材料之间的阻抗不匹配，部分电磁波会立即从材料表面反射，而由MXene的偶极极化和界面极化产生的极化损耗有助于吸收入射波。此外，入射电磁波通过具有高密度电子载流子的MXene晶格结构时，产生的局部电流会导致欧姆损耗，这也会衰减电磁波。最后，大量的入射电磁波能在复合材料中被吸收和耗散为热量。此外，较高的MXene含量和较大的界面面积可以加速EMI辐射的衰减。

[0089] 例10：材料阻燃性分析：采用酒精灯明火点燃实验测试了PEG、MXene@PEG和MXene@PEG/Mg(OH)2的阻燃性，实验现象如图12所示。可以看出，在10 s的加热时间内，PEG和MXene@PEG时可燃的，区别在于PEG很快便受热熔化，而MXene@PEG的燃烧持续时间较长，热稳定性较PEG更高。而MXene@PEG/Mg(OH)2具有明显的阻燃性，10 s内未被点燃，火灾危险性较低，热安全性较佳。

[0090] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。