轻工学院张美云教授团队宋顺喜副教授在《Adv. Sci》等期刊发表系列玄武岩基先进功能材料研究成果

玄武岩材料具有高强度、耐酸碱、耐高低温等优异性能，成为工业和信息化部发布的《重点新材料首批次应用示范指导目录(2024年版)》中的“关键战略基础材料”之一，广泛应用于航空航天、建筑工程、基础设施、交通运输等领域。近日，轻工学院张美云教授团队宋顺喜副教授以玄武岩纤维和玄武岩鳞片为原料，以轻工学科基础为背景，围绕纳米片高效制备、先进纳米绝缘、高级声学吸收、先进防火阻燃、高效电磁屏蔽复合材料开展了一系列研究，取得的研究成果相继发表在Advanced Science、Journal of Materials Science& Technology等高影响力国际学术期刊上。

团队利用化学辅助机械法首次从玄武岩鳞片（BS）中制备了具有超高径厚比（约780.1）的玄武岩纳米片（BSNs）。随后，通过真空辅助自组装法将BSNs与芳纶纳米纤维（ANF）组装成仿贻贝结构的ANF-BSNs复合纳米纸。该复合纸在极低的BSNs含量下具有明显的层状结构，显著提升了复合纳米纸的机械性能和绝缘性能，使其在现代小型化高功率电气设备中具有广阔的应用前景。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”发表在《Advanced Science》上。博士研究生戢德贤为本研究的主要完成人，宋顺喜副教授、张美云教授为通讯作者。

玄武岩纳米片/芳纶纳米纤维复合纳米纸

团队提出了一种仿贻贝结构的复合芳纶纸概念，通过将羰基化改性的玄武岩纳米片植入芳纶纳米纤维（ANF）的三维网状结构中构建仿贻贝层状结构，然后通过浸渍法将其填充至芳纶纸（AP）的多孔结构中形成复合纸（AP/ANF-CBSNs），制得的AP/ANF-CBSNs复合纸的内部和表面形成了仿贻贝层状结构，使其具有优异的机械性能、绝缘性能、耐久性、隔热性和显著的阻燃性。仿珍珠母结构和浸渍策略为开发先进的电绝缘纸材料提供了一种有效途径，适用于高频率和高电压电气工程设备。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”发表在《Journal of Materials Science & Technology》上。博士研究生戢德贤为本研究的主要完成人，宋顺喜副教授、张美云教授、倪永浩教授为通讯作者。

浸渍法制得仿贻贝结构芳纶复合绝缘纸

团队通过将具有高纵横比的超薄CBSNs集成到ANF三维框架中，制备具有三维互连网络结构的ANF-CBSNs悬浮液，随后将三维互联网络结构通过浸渍法整合至LCP中，增强它们的结构和化学键相互作用，进一步采用压制/干燥方法固化其结构，得到LCP/A-C复合纸。LCP/A-C复合纸的多层结构和多重氢键相互作用赋予其优异的机械和电气绝缘性能、弯曲能力、耐温性、体积电阻率、疏水性和耐水性。这些优异性能证明了LCP/A-C复合纸作为高性能电绝缘纸的潜力，可以满足高压电气设备快速升级的需求。研究成果以“Enhanced Mechanical and Dielectric Properties of Lignocellulosic Composite Papers with Biomimetic Multilayered Structure and Multiple Hydrogen-Bonding Interactions”发表在《International Journal of Biological Macromolecules》上。博士研究生戢德贤为本研究的主要完成人，宋顺喜副教授、张美云教授、倪永浩教授为通讯作者。

具有仿生多层结构和多重氢键相互作用的木质纤维素复合绝缘纸

团队利用纤维素纳米纤丝（CNF）、聚乙烯醇（PVA）和玄武岩鳞片（BS）为原料，通过真空辅助自组装法，制备了具有优异机械强度、电绝缘性和抗紫外线性能的层状复合纸，通过预混聚PVA与BS，促进了BS与CNF之间的界面结合力。同时，未吸附的PVA增加了混合溶液的粘度，防止了CNF絮凝，进一步增强了材料的均匀性和分散性，这种层状结构显著提高了复合纸的机械性能、电绝缘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”发表在《International Journal of Biological Macromolecules》上。硕士吴琪为本研究的主要完成人，宋顺喜副教授、张美云教授为通讯作者。

多功能纤维素纳米纤丝/玄武岩鳞片/聚乙烯醇复合绝缘纸

团队通过湿成型和硅烷蒸汽处理制备了纤维素/玄武岩纤维宽频吸声复合纸（CBF）。由于引入了环保型玄武岩纤维，复合纸的孔结构和热传导路径得到了调整，从而提高了吸声和隔热性能。特别是50 wt%的玄武岩纤维复合纸表现出较高的吸声系数和超低的热导率，制备的CBF复合纸在2000-6000 Hz中高频范围内的吸声系数提高了3.2-5.8倍。此外，复合纸还具有良好的疏水性，经硅烷蒸汽处理后的接触角在92.3°到132.9°之间，显示出优异的防水性能和自清洁能力。基于丰富且低成本的天然资源和现代造纸工艺，CBF复合纸为绿色吸声材料和室内装饰领域的大规模应用提供了广阔的可能性。研究成果以“Broadband sound absorption cellulose/basalt fiber composite paper with excellent thermal insulation and hydrophobic properties”发表在《Industrial Crops & Products》上。硕士研究生吕堉溟为本研究的主要完成人，宋顺喜副教授为通讯作者。

纤维素/玄武岩纤维宽频吸声复合纸

团队通过真空辅助过滤工艺，将环保型玄武岩纤维（BF）与高性能芳纶纳米纤维(ANFs)协同集成，制备了一种有机-无机纤维交替层状结构的复合纸。该复合纸展示出低热导率、高抗拉强度和优异的柔韧性。在300℃热处理60分钟后，机械强度保持率高达92%。制备的ANFs/BF复合纸的峰值热释放率和烟气生成量分别减少了44.6%和95.3%，显示出其卓越的阻燃性能。此外，复合纸在极端条件下（如酸碱和高低温环境）仍保持优良的结构稳定性和机械性能。这种仿珍珠母结构的复合纸在柔性电子设备、阻燃和高温领域中作为保护层具有广阔的应用前景。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”发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。硕士王倩玉为本研究的主要完成人，宋顺喜副教授为通讯作者。

有机-无机纤维交替层状结构的复合纸

团队通过真空辅助过滤法制备了一种具有“钢筋混凝土”层状结构的复合纸，利用了具有优异温度耐受性和高导电性的玄武岩纤维（BF）、芳纶纳米纤维（ANFs）和多壁碳纳米管（CNTs）。制备的BF/ANF/CNT复合纸具有优异的热稳定性和化学稳定性，在高低温、酸碱腐蚀等极端环境下，仍保持良好的电磁屏蔽性能。此外，复合纸还展示了优异的焦耳加热性能，具有快速电热响应和良好的温度可控性。基于其优异的性能，BF/ANF/CNT复合纸在航空航天、电子通信和智能穿戴设备的电磁干扰屏蔽和热管理系统中具有巨大的应用潜力。研究成果以“Flexible Basalt Fiber/Aramid Nanofiber/Carbon Nanotube Electromagnetic Shielding Paper with Outstanding Environmental Stability and Joule Heating Performance”发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。硕士黎凌浩为本研究的主要完成人，宋顺喜副教授为通讯作者。

具有“钢筋混凝土”层状结构的电磁屏蔽复合纸

附论文列表：

[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区，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区，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区，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区，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区，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区，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区，Top期刊）

原文链接：

[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：刘国栋 编辑：赵诚）