玄武巖材料具有高強度、耐酸堿、耐高低溫等優(yōu)異性能，成為工業(yè)和信息化部發(fā)布的《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄(2024年版)》中的“關(guān)鍵戰(zhàn)略基礎(chǔ)材料”之一，廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑工程、基礎(chǔ)設(shè)施、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。近日，輕工學(xué)院張美云教授團隊宋順喜副教授以玄武巖纖維和玄武巖鱗片為原料，以輕工學(xué)科基礎(chǔ)為背景，圍繞納米片高效制備、先進納米絕緣、高級聲學(xué)吸收、先進防火阻燃、高效電磁屏蔽復(fù)合材料開展了一系列研究，取得的研究成果相繼發(fā)表在Advanced Science、Journal of Materials Science& Technology等高影響力國際學(xué)術(shù)期刊上。

團隊利用化學(xué)輔助機械法首次從玄武巖鱗片（BS）中制備了具有超高徑厚比（約780.1）的玄武巖納米片（BSNs）。隨后，通過真空輔助自組裝法將BSNs與芳綸納米纖維（ANF）組裝成仿貽貝結(jié)構(gòu)的ANF-BSNs復(fù)合納米紙。該復(fù)合紙在極低的BSNs含量下具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，顯著提升了復(fù)合納米紙的機械性能和絕緣性能，使其在現(xiàn)代小型化高功率電氣設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。研究成果以“Novel Fabrication of Basalt Nanosheets with Ultrahigh Aspect Ratios Toward Enhanced Mechanical and Dielectric Properties of Aramid Nanofiber-Based Composite Nanopapers”發(fā)表在《Advanced Science》上。博士研究生戢德賢為本研究的主要完成人，宋順喜副教授、張美云教授為通訊作者。

玄武巖納米片/芳綸納米纖維復(fù)合納米紙

團隊提出了一種仿貽貝結(jié)構(gòu)的復(fù)合芳綸紙概念，通過將羰基化改性的玄武巖納米片植入芳綸納米纖維（ANF）的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中構(gòu)建仿貽貝層狀結(jié)構(gòu)，然后通過浸漬法將其填充至芳綸紙（AP）的多孔結(jié)構(gòu)中形成復(fù)合紙（AP/ANF-CBSNs），制得的AP/ANF-CBSNs復(fù)合紙的內(nèi)部和表面形成了仿貽貝層狀結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)異的機械性能、絕緣性能、耐久性、隔熱性和顯著的阻燃性。仿珍珠母結(jié)構(gòu)和浸漬策略為開發(fā)先進的電絕緣紙材料提供了一種有效途徑，適用于高頻率和高電壓電氣工程設(shè)備。研究成果以“Nacre-inspired composite papers with enhanced mechanical and electrical insulating properties: Assembly of aramid papers with aramid nanofibers and basalt nanosheets”發(fā)表在《Journal of Materials Science & Technology》上。博士研究生戢德賢為本研究的主要完成人，宋順喜副教授、張美云教授、倪永浩教授為通訊作者。

浸漬法制得仿貽貝結(jié)構(gòu)芳綸復(fù)合絕緣紙

團隊通過將具有高縱橫比的超薄CBSNs集成到ANF三維框架中，制備具有三維互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的ANF-CBSNs懸浮液，隨后將三維互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過浸漬法整合至LCP中，增強它們的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵相互作用，進一步采用壓制/干燥方法固化其結(jié)構(gòu)，得到LCP/A-C復(fù)合紙。LCP/A-C復(fù)合紙的多層結(jié)構(gòu)和多重氫鍵相互作用賦予其優(yōu)異的機械和電氣絕緣性能、彎曲能力、耐溫性、體積電阻率、疏水性和耐水性。這些優(yōu)異性能證明了LCP/A-C復(fù)合紙作為高性能電絕緣紙的潛力，可以滿足高壓電氣設(shè)備快速升級的需求。研究成果以“Enhanced Mechanical and Dielectric Properties of Lignocellulosic Composite Papers with Biomimetic Multilayered Structure and Multiple Hydrogen-Bonding Interactions”發(fā)表在《International Journal of Biological Macromolecules》上。博士研究生戢德賢為本研究的主要完成人，宋順喜副教授、張美云教授、倪永浩教授為通訊作者。

具有仿生多層結(jié)構(gòu)和多重氫鍵相互作用的木質(zhì)纖維素復(fù)合絕緣紙

團隊利用纖維素納米纖絲（CNF）、聚乙烯醇（PVA）和玄武巖鱗片（BS）為原料，通過真空輔助自組裝法，制備了具有優(yōu)異機械強度、電絕緣性和抗紫外線性能的層狀復(fù)合紙，通過預(yù)混聚PVA與BS，促進了BS與CNF之間的界面結(jié)合力。同時，未吸附的PVA增加了混合溶液的粘度，防止了CNF絮凝，進一步增強了材料的均勻性和分散性，這種層狀結(jié)構(gòu)顯著提高了復(fù)合紙的機械性能、電絕緣性能和抗紫外老化性能。研究成果以“Nacre-inspired composite paper of PVA crosslinked basalt scale and nanocellulose with enhanced mechanical, electrical insulating and ultraviolet-resistant aging performance”發(fā)表在《International Journal of Biological Macromolecules》上。碩士吳琪為本研究的主要完成人，宋順喜副教授、張美云教授為通訊作者。

多功能纖維素納米纖絲/玄武巖鱗片/聚乙烯醇復(fù)合絕緣紙

團隊通過濕成型和硅烷蒸汽處理制備了纖維素/玄武巖纖維寬頻吸聲復(fù)合紙（CBF）。由于引入了環(huán)保型玄武巖纖維，復(fù)合紙的孔結(jié)構(gòu)和熱傳導(dǎo)路徑得到了調(diào)整，從而提高了吸聲和隔熱性能。特別是50 wt%的玄武巖纖維復(fù)合紙表現(xiàn)出較高的吸聲系數(shù)和超低的熱導(dǎo)率，制備的CBF復(fù)合紙在2000-6000 Hz中高頻范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)提高了3.2-5.8倍。此外，復(fù)合紙還具有良好的疏水性，經(jīng)硅烷蒸汽處理后的接觸角在92.3°到132.9°之間，顯示出優(yōu)異的防水性能和自清潔能力。基于豐富且低成本的天然資源和現(xiàn)代造紙工藝，CBF復(fù)合紙為綠色吸聲材料和室內(nèi)裝飾領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用提供了廣闊的可能性。研究成果以“Broadband sound absorption cellulose/basalt fiber composite paper with excellent thermal insulation and hydrophobic properties”發(fā)表在《Industrial Crops & Products》上。碩士研究生呂堉溟為本研究的主要完成人，宋順喜副教授為通訊作者。

纖維素/玄武巖纖維寬頻吸聲復(fù)合紙

團隊通過真空輔助過濾工藝，將環(huán)保型玄武巖纖維（BF）與高性能芳綸納米纖維(ANFs)協(xié)同集成，制備了一種有機-無機纖維交替層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合紙。該復(fù)合紙展示出低熱導(dǎo)率、高抗拉強度和優(yōu)異的柔韌性。在300℃熱處理60分鐘后，機械強度保持率高達92%。制備的ANFs/BF復(fù)合紙的峰值熱釋放率和煙氣生成量分別減少了44.6%和95.3%，顯示出其卓越的阻燃性能。此外，復(fù)合紙在極端條件下（如酸堿和高低溫環(huán)境）仍保持優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機械性能。這種仿珍珠母結(jié)構(gòu)的復(fù)合紙在柔性電子設(shè)備、阻燃和高溫領(lǐng)域中作為保護層具有廣闊的應(yīng)用前景。研究成果以“Nacre-Inspired Aramid Nanofibers/Basalt Fibers Composite Paper with Excellent Flame Retardance and Thermal Stability by Constructing an Organic?Inorganic Fiber Alternating Layered Structure”發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。碩士王倩玉為本研究的主要完成人，宋順喜副教授為通訊作者。

有機-無機纖維交替層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合紙

團隊通過真空輔助過濾法制備了一種具有“鋼筋混凝土”層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合紙，利用了具有優(yōu)異溫度耐受性和高導(dǎo)電性的玄武巖纖維（BF）、芳綸納米纖維（ANFs）和多壁碳納米管（CNTs）。制備的BF/ANF/CNT復(fù)合紙具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在高低溫、酸堿腐蝕等極端環(huán)境下，仍保持良好的電磁屏蔽性能。此外，復(fù)合紙還展示了優(yōu)異的焦耳加熱性能，具有快速電熱響應(yīng)和良好的溫度可控性?；谄鋬?yōu)異的性能，BF/ANF/CNT復(fù)合紙在航空航天、電子通信和智能穿戴設(shè)備的電磁干擾屏蔽和熱管理系統(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用潛力。研究成果以“Flexible Basalt Fiber/Aramid Nanofiber/Carbon Nanotube Electromagnetic Shielding Paper with Outstanding Environmental Stability and Joule Heating Performance”發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。碩士黎凌浩為本研究的主要完成人，宋順喜副教授為通訊作者。

具有“鋼筋混凝土”層狀結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽復(fù)合紙

附論文列表：

[1] Dexian Ji, Shunxi Song,* Yuming Lyu, Wei Ren, Linghao Li, Bin Yang, and Meiyun Zhang*, Novel Fabrication of Basalt Nanosheets with Ultrahigh Aspect Ratios Toward Enhanced Mechanical and Dielectric Properties of Aramid Nanofiber-Based Composite Nanopapers. Advanced Science, 10(27), 2302371.（SCI 1區(qū)，Top期刊）

[2] Dexian Ji, Meiyun Zhang*, Hao Sun, Yuming Lyu, Shelley Lymn Cormier, Cong Ma, Hui Zhang, Yonghao Ni*, Shunxi Song*, Nacre-inspired Composite Papers with Enhanced Mechanical and Electrical Insulating Properties: Assembly of Aramid Papers with Aramid Nanofibers and Basalt Nanosheets, Journal of Materials Science & Technology, 215, 283-295.（SCI 1區(qū)，Top期刊）

[3] Dexian Ji, Meiyun Zhang*, Hao Sun, Baolong Yuan, Cong Ma, Zhuofan He, Yonghao Ni*, Shunxi Song*, Enhanced Mechanical and Dielectric Properties of Lignocellulosic Composite Papers with Biomimetic Multilayered Structure and Multiple Hydrogen-Bonding Interactions, International Journal of Biological Macromolecules, 3(281), 136247.（SCI 1區(qū)，Top期刊）

[4] Shunxi Song*, Qi Wu, Dexian Ji, Linghao Li, Qianyu Wang, Meiyun Zhang*, Nacre-inspired composite paper of PVA crosslinked basalt scale and nanocellulose with enhanced mechanical, electrical insulating and ultraviolet-resistant aging performance, International Journal of Biological Macromolecules, 257, 128602.（SCI 1區(qū)，Top期刊）

[5] Shunxi Song*, Yuming Lyu, Junfan Zhao, Wei Ren, Jing Wang, Linghao Li, Qianyu Wang, Meiyun Zhang, Broadband sound absorption cellulose/basalt fiber composite paper with excellent thermal insulation and hydrophobic properties, Industrial Crops and Products, 218, 118985.（SCI 1區(qū)，Top期刊）

[6] Shunxi Song,* Qianyu Wang, Dexian Ji, Linghao Li, Jiaojun Tan, Qi Wu, Yuming Lyu, Meiyun Zhang, Nacre-Inspired Aramid Nanofibers/Basalt Fibers Composite Paper with Excellent Flame Retardance and Thermal Stability by Constructing an Organic?Inorganic Fiber Alternating Layered Structure, ACS Applied Materials & Interfaces, 16(3), 4045-4055.（SCI 2區(qū)，Top期刊）

[7] Shunxi Song,* Linghao Li, Dexian Ji, Junfan Zhao, Qi Wu, Qianyu Wang, Flexible Basalt Fiber/Aramid Nanofiber/Carbon Nanotube Electromagnetic Shielding Paper with Outstanding Environmental Stability and Joule Heating Performance, ACS Applied Materials & Interfaces, 15(29), 35495-35506. （SCI 2區(qū)，Top期刊）

原文鏈接：

[1] https://doi.org/10.1002/advs.202302371

[2] https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.07.044

[3] https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.136247

[4] https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2024.118985

[5] https://doi.org/10.1021/acsami.3c16614

[6] https://doi.org/10.1021/acsami.3c06138

（核稿：劉國棟 編輯：趙誠）