MXene基形状记忆复合材料研究进展

Research progress in MXene-based shape memory composites

摘要

MXene作为一类新型二维（2D）材料，因其卓越的电导率、高效的光热转换能力和丰富的终端基团而受到广泛的研究关注。然而，MXene的易氧化特性和较弱的力学性能在一定程度上限制其在多个应用领域的广泛使用。MXene基形状记忆复合材料不仅具有增强MXene的抗氧化和力学性能，还能赋予材料宏观3D结构的智能响应特性。这些特性为MXene在信息传递、能量转换、电磁屏蔽和火灾安全防护等领域开辟新的应用途径。本文旨在全面回顾MXene基形状记忆复合材料的研究进展，深入分析其制备方法、形状记忆机制及应用潜力，为MXene基形状记忆复合材料的进一步研发和应用提供有价值的参考。同时，对MXene基形状记忆复合材料在高效制备、性能优化、多功能开发等未来走向及潜在稳定性提升与商业化挑战进行分析，有助于推动该领域的技术进步和创新。

Abstract

MXene， as a new class of two-dimensional（2D）materials， has garnered extensive research interest due to its excellent electrical conductivity， efficient photo-thermal conversion ability， and rich terminal functional groups. However， the susceptibility of MXene to oxidation and its relatively weak mechanical properties have limited its widespread use in various application fields. MXene-based shape memory composites not only enhance the anti-oxidation and mechanical properties of MXene but also endow the material with intelligent response characteristics in macroscopic 3D structures. These properties open new avenues for MXene applications in information transmission， energy conversion， electromagnetic shielding， and fire safety protection. This study aims to review the research progress in MXene-based shape memory composites comprehensively and deeply analyzes their preparation methods， shape memory mechanisms， and application potential， offering valuable references for further research and development， and application of these composites. Meanwhile， the future direction of MXene-based shape memory composites in terms of efficient preparation， performance optimisation， multifunctional development， and their potential stability enhancement and commercialisation challenges are analysed to effectively promote technological advancement and innovation in this field.

Graphical abstract

关键词

MXene / 形状记忆效应 / 复合材料 / 致动器 / 三维结构

Key words

MXene / shape memory effect / composites / actuators / three-dimensional structure

自2011年MXene由美国德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授团队^［1］首次发现以来，逐渐在2D材料领域崭露头角，成为研究的热点。MXene的通式为M_n+1X_n T _x （n=1~4），其中M表示过渡金属，X为C或N元素，T则代表终端化学基团^［2-4］。众多研究表明，MXene具有卓越的导电性^［5-7］、高度生物相容性^［8-10］、显著的宏观柔韧性和可调的表面化学性质^［11-13］。在能量转换^［14-16］、电磁屏蔽和微电子器件等多个领域^［17-19］，MXene展现出巨大的应用潜力。然而，MXene材料也存在一些局限性，如易于氧化和力学性能不佳等问题^［20-22］，这些限制了其进一步的应用。为了解决这些问题，科学家们通过与其他材料的复合策略，成功研制出具备优越综合性能的MXene基复合材料^［23-25］。

近年来，MXene基复合材料因其在致动器领域的独特应用而受到广泛关注和深入研究^［26-28］。MXene基致动器的特点在于能够将外部刺激转化为内部机械运动，从而在复杂环境下，通过动态调节自身结构来实现传统致动器或刚性机器人难以完成的特殊功能。得益于其对刺激的高灵敏响应、环境适应性及其在特定场景中的物理交互能力，MXene基致动器已在多个前沿领域如智能柔性机器人、仿生电子皮肤和人工肌肉中显示出巨大的应用潜力^{［10，29-30］}。然而，MXene基致动器在实际应用中存在一些挑战。尽管现有的MXene基致动器对多种刺激反应灵敏，但其结构的精准控制往往依赖于人工创造的特定刺激环境。例如，对光线和湿度敏感的MXene基致动器要实现特定结构的定向转变，必须依赖相应设备精准控制光线或湿度的作用方向。遗憾的是，在自然环境中创建这样的条件通常是困难的，这进一步增加了MXene基致动器形状控制的复杂性。

在众多类型致动器中，形状记忆致动器引人注目。该类致动器能在特定条件下可以被赋予一个临时形状，并且能在外部刺激变化时回复到其初始形状。特别是当外部环境按照特定方式和规律变化时，这些致动器展现出良好的形状记忆循环性能^［31-33］。与传统的MXene基致动器不同，由MXene基复合材料制成的形状记忆致动器有一个突出的优势：它们的临时形状在无需持续外部刺激的条件下保持稳定，从而克服传统MXene致动器的一些挑战，减少了对触发设备的依赖^［34-36］。目前，MXene基形状记忆复合材料主要分为两大类。一类是以MXene作为形状记忆的单结构单元。在外界刺激下，通过调控MXene与基体材料之间的超分子作用，实现复合材料结构的可逆相变，赋予材料形状的记忆与回复功能^［37-38］。另一类形状记忆功能是直接依赖于复合材料中其他成分的形状记忆效应或相变材料的特性^［39］。在这类体系中，MXene主要负责赋予优异的热、光和电等刺激响应性能，如图1所示。本文将对MXens基形状记忆复合材料的制备方法、形状记忆机理和应用进行简要介绍，并对MXene基形状记忆复合材料的应用前景及发展方向进行展望。

1 构筑方法

在MXene基形状记忆复合材料的可控构筑过程中有三个方面至关重要。首先，MXene材料的高效制备，这是整个过程的基础。通过精确控制合成条件和优化工艺，可以生产出高纯度、均匀分布的MXene纳米片，这对于它们在复合材料中的有效应用是必不可少的。其次，复合材料中MXene与基体材料之间有效的界面匹配是实现高性能形状记忆复合材料的关键。通过表面修饰和功能化，或选择合适的基体材料，可以增强MXene与基体之间的相互作用，提高界面的相容性和结合强度。最后，在确保MXene基复合材料中不同组分之间的界面相互作用和结合的有效性前提下，通过优化复合材料的组分、结构和制备工艺调控可逆相和固定相结构，实现高效形状记忆性能。因此，MXene基形状记忆复合材料的可控构筑需要综合考虑MXene材料的高效制备，MXene与基体材料在复合材料中的有效界面匹配，以及MXene基复合材料形状记忆性能的有效获得。这些因素的合理控制和优化对于推动MXene基形状记忆复合材料在可编程器件、智能传感器等领域的广泛应用具有重要意义。

1.1 MXene材料的制备

在MXene材料的制备过程中，MAX相陶瓷作为其前驱体扮演着关键角色。MAX相中，M—A键能比M—X键能弱，因此A层原子反应活性较高。通过适当的处理方法，可以有效去除A层原子，同时保留M—X结构，并在MXene的终端表面引入丰富的官能团^［34］。

1.1.1 氢氟酸直接刻蚀法

2011年，Naguib等学者^［1］首次在室温条件下使用氢氟酸（HF）刻蚀Ti₃AlC₂，成功合成MXene材料，从而诞生一类新型二维材料。由于HF出色的刻蚀性能，它能够有效去除Ti₃AlC₂中的Al元素，进而生成具有特有手风琴状多层结构的MXene。此外，研究者们通过扩大多层MXene的层间距，并利用超声及其他机械方法，成功实现了MXene纳米片的剥离。然而，在使用氢氟酸这一方法时需特别注意其极强的腐蚀性，因此在制备过程中必须采取适当的措施以确保安全^［35-36］。尽管HF刻蚀法为MXene的制备提供一个重要途径，但要获得高品质、低缺陷的单层MXene仍然是一个巨大的大挑战。

1.1.2 HF原位生成刻蚀法

除直接使用HF刻蚀MAX外，Ghidiu等^［40］在2014年提出通过LiF和HCl混合液刻蚀Ti₃AlC₂来制备单层MXene。此方法中，当LiF和HCl与Ti₃AlC₂接触，溶液中的H⁺和F^-在Ti₃AlC₂表面原位生成HF，进而实现对Al的刻蚀。同时，生成的Li⁺会自发地插入新形成的多层MXene间，从而削弱层间相互作用力，便于其剥离成单层MXene纳米片。与直接使用HF相比，此方法更为温和、安全而且高效，有助于保留MXene的原始结构，因此成为目前广受欢迎方法之一。利用此种方法，Kiana等^［41］制备出具有优异类金属载流子传输性能和光电性能的MXenes，通过将其旋涂到GaAs上，制造出优于标准Au电极的光电探测器。除此之外，还存在其他类似的方法，如利用其他氟盐（NaF和KF等）和HCl混合原位产生HF作为刻蚀剂来制备MXene纳米片^［42-44］。

1.1.3 其他方法

目前，无论是直接还是原位生成HF，都被广泛视为制备MXene的主流方法。此外，研究者们也探索其他的制备策略，包括水热法、电化学刻蚀法以及熔盐刻蚀法。例如，Li等^［45］通过碱辅助水热法成功制备了高纯度无氟MXene；Yang等^［46］利用电化学刻蚀法在碱性溶液中将Ti₃AlC₂制备成无氟MXene；Li等^［47］使用Lewis酸熔盐刻蚀法制备只含Cl端的MXene。这些方法都为MXene表面官能团的设计提供解决方案。

1.2 MXene基形状记忆复合材料的制备

制备MXene基形状记忆复合材料可以通过多种途径实现，如溶液浇铸法、静电纺丝法、4D打印、真空辅助过滤、超声、溶胶凝胶和冷冻干燥法等。通过MXene和基体的有效界面匹配使复合材料获得优异的形状记忆性能，实现其在更广泛领域的应用。

1.2.1 溶液浇铸法

溶液浇铸法是制备MXene基形状记忆复合材料的一种简便有效的方法。这个过程主要涉及将基体材料均匀分散于特定介质中，然后与MXene分散液充分混合，通过铺膜或在模具中静置成型，从而制备出MXene基形状记忆复合材料。MXene的引入不仅能有效提高复合材料的力学性能、热稳定性和化学稳定性，还能赋予复合材料如形状记忆和智能响应等特殊功能，极大拓展其应用潜力。例如，Liu等^［48］通过溶液浇筑法，将MXene与聚苯并恶嗪（PBZ）复合，成功制备出MXene/PBZ形状记忆复合材料。在这个体系中，MXene表面的极性基团与PBZ之间通过氢键相互作用，显著增强它们之间的界面结合。这种强化的界面相互作用为复合材料带来优异的形状记忆及力学性能。本课题组^［49］采用溶液浇铸法，将聚乙烯醇（PVA）与MXene结合，制备出一种新型MXene基形状记忆复合材料。这项研究表明，MXene的引入不仅显著改善了PVA的力学性能，还赋予该复合材料水响应的形状记忆性能，使其在生物医学工程领域具有广阔的应用前景。

目前，溶液浇铸法因其简便性成为制备MXene基形状记忆复合材料的首选方法之一。通过将MXene与目标材料充分混合，实现两者的良好融合，可以获得性能优异且功能多样的形状记忆复合材料。然而，MXene与基体材料在溶液中的相容性也是限制其发展的主要因素。为了克服该挑战，研究人员正在努力改进溶液浇铸方法，以提高MXene与基体材料的相容性。其中一种策略是使用表面改性技术，通过在MXene颗粒表面引入特定功能基团或聚合物涂层，改善MXene与基体材料的亲和性。这样可以增加MXene与基体材料之间的相互作用力，减少团聚的可能性，提高复合材料的性能和稳定性。

1.2.2 4D打印

4D打印技术为MXene基形状记忆复合材料的制备提供极大的灵活性和定制性。通过4D打印，可以精确控制MXene基复合材料的形状、结构和尺寸，满足特定应用的需求。这种定制化的制备过程能够在实现形状记忆功能的同时，提供更好的适应性和性能优化的可能性。对于传统的制备方法，4D打印具有快速、高效和可重复性的特点。它可以减少材料浪费，缩短制备的时间，提高生产效率。这对于MXene基形状记忆复合材料的研发和应用推广非常有益。Menon等^［50］以MXene和聚氨酯（PU）为原料，利用4D打印方法制备出具有网眼状几何结构的MXene/PU导电形状记忆复合材料，拓展其在电磁屏蔽和传感器领域的应用。如图2（a）所示，McLellan等^［51］通过控制MXene、热塑性聚氨酯（TPU）和聚乳酸（PLA）的比例来调控混合溶液的流变性能，利用4D打印方式制备出具有蜂窝状结构的MXene/TPU/PLA形状记忆复合材料，拓展其在空间可展开结构领域中的应用。如图2（b）所示，黄维院士团队^［52］通过4D喷墨打印和溶剂替换步骤，制备具有特定结构和特定应用场景的MXene/PU/PVA形状记忆传感器。该传感器具有较好的灵敏度和较宽的工作区间，还能够基于应力响应监控人体的运动，并且实现对具有形状记忆性能的太阳能电池板铰链精确的温度传感。可以看出，4D打印技术在制备具有复杂性和多样性的MXene基形状记忆复合材料方面具有极大优势，并且能够进一步将MXene与其他功能材料或增强剂相结合，以提高复合材料的性能。然而，4D打印技术在MXene基形状记忆复合材料领域也存在一些挑战和限制。选择合适的4D打印方法和材料对于实现期望的复合材料性能至关重要。不同的4D打印技术和材料可能会对MXene基复合材料的结构和性能产生影响，需要进行仔细的选择和优化。此外，4D打印过程中可能会出现层间结合问题和制备精度的限制。特别是对于MXene这种2D材料，需要解决层间粘结和MXene纳米片的均匀分散等问题，以确保复合材料的形状记忆性能。

1.2.3 静电纺丝

静电纺丝法能够通过调控静电力，制备出从几纳米到数十微米不等的细度可调的纤维。这种可调节的纤维细度对形状记忆材料的形状记忆效应和力学性能至关重要。而通过控制静电纺丝参数，如电压和喷嘴与收集器的距离，可以实现对纤维结构和排列方式的精确控制，以满足特定形状和性能的要求。Wu等^［53］通过将MXene和纤维素纳米晶体（CNCs）沉积在静电纺丝法制备的纤维垫上，制造一种具有快速近红外（NIR）响应性的新型MXene/CNCs形状记忆电驱动器，其能通过形状回复在10 s内将一个为自身质量265倍的物体提升到80%的延伸高度。该发现也为开发远程非接触式软体机器人提供灵感。在医疗领域，静电纺丝技术可以用于开发可穿戴的柔性医疗设备，实现远程手术和治疗。Zhang等^［54］利用具有形状记忆性能的聚氨酯（SMPU）和MXene为原料，通过静电纺丝法和真空辅助过滤的方式来制备一种新型的SMPU/MXene纸作为火灾报警传感器，为开发具有智能响应和灵敏度可调的多功能的火灾传感器提供可行的方案。然而，静电纺丝法的工艺复杂性较高，需要掌握多个参数的调控，并且在纺丝过程中高分子材料可能遭受损伤，对材料的性能和稳定性造成影响。此外，静电纺丝法目前还面临着生产效率低和批量生产难的问题。随着技术的不断发展，这些挑战有望得到克服，为MXene基形状记忆复合材料的制备提供更好的方法和工艺。

1.2.4 其他方法

除上述方法外，静电自组装、超声、溶胶凝胶和冷冻干燥法都是在MXenes基形状记忆复合材料制备过程中常用的方法。如图3（a）所示，Gholamirad等^［55］利用聚（盐酸烯丙胺）（PAH）作为一种带正电荷的聚电解质来触发MXene纳米片的组装，实现具有多孔3D电导性的MXene/PAH形状记忆复合材料的制备。静电自组装是一种常用的方法，它能使MXene纳米片与基体作用紧密，形成均匀薄膜，有利于增强材料的力学性能和稳定性。然而，静电自组装过程也需要较长的制备时间，这就对其制备效率产生一定的影响。如图3（b）所示，Wu等^［56］利用溶胶凝胶和冷冻干燥相结合的方式，成功地制造出具有特殊表面疏水性、阻燃性和隔热性的硅烷改性MXene/聚苯唑纳米复合多孔气凝胶。溶胶凝胶方法适用于制备多孔结构材料，使其具有较大的比表面积和孔隙度，但对溶剂选择性要求较高。冷冻干燥法则可以实现MXene基形状记忆复合材料的无水处理，保持MXene纳米片层的结构稳定性和活性，有利于材料的长期保存和后续应用，但也可能导致MXene纳米片层的堆积和团聚。如图3（c）所示，Xie等^［57］利用MXene和碳纳米管（CNTs）独特的应变相关微裂纹结构和具有形状记忆的乙烯-醋酸乙烯聚合物（EVA）的协同作用，通过膨胀超声法成功制备一种耐用的MXene/CNTs/EVA纤维，其可作为人体运动监测的传感器。超声法在MXenes基形状记忆复合材料制备中的优点在于其高效的混合和分散能力，能够有效消除MXene纳米片的团聚，提高材料的均匀性和稳定性，但也可能引入机械应力破坏MXenes结构。根据上述研究结果，在具体的应用中，必须综合评估各种方法的优点和缺点，如各种方法的效率、成本、可行性以及可能的风险和限制，以便明智地选择适用于特定需求的制备方法，确保在实际应用中达到最佳结果，并满足性能的要求。

2 形状记忆机理

从分子结构及其相互作用的角度来看，在实现复合材料的形状记忆性能时，需要确保体系具有两相结构。该结构包括记忆起始形状的固定相以及随刺激变化能够可逆固化和软化的可逆相。目前，MXene基形状记忆复合材料的形状记忆机制主要分为两类。一类是将MXene作为形状记忆单元。通过MXene与基体之间的氢键，使复合材料在外界刺激下发生可逆的结构相变，从而实现复合材料形状的记忆与回复。另一类则不依赖MXene实现形状记忆功能，而是基于复合材料中其他成分的形状记忆效应或相变材料的特性，通过控制温度或其他外界刺激来实现形状的变化和回复。这两种形状记忆机制为MXene基复合材料的设计和应用提供多样化的选择和潜在的应用前景。

利用MXene作为形状记忆单元，主要是通过MXene与基体之间的超分子作用使复合材料在外界刺激下发生可逆的结构相变，从而实现复合材料的形状记忆与恢复。这种机制的关键在于MXene的特殊结构和化学性质，例如二维层状结构和丰富的表面官能团。MXene作为形状记忆单元的优势在于其高度可控的形变行为和良好的可逆性，以及在宽温度范围内的稳定性和可靠性。Liu等^［48］利用MXene与聚苯并噁嗪（poly（PH-ddm））形成的超分子作用，实现具有均匀的分散性和优异力学性能的MXene/PBZ形状记忆复合材料的制备。如图4（a）所示，在初始状态下，MXene与poly（PH-ddm）之间存在大量的氢键，此时体系中的poly（PH-ddm）分子链处于热力学中熵值最高的稳定构象，使其运动受到限制。当温度高于玻璃化转变温度（T_g）时，MXene与poly（PH-ddm）之间的氢键相互作用逐渐减弱，使得poly（PH-ddm）链的构象转变为熵值较低的状态。此时，在外力作用下很容易赋予复合材料弯曲的临时形状。当临时形状进一步加热温度至T_g以上时，其形状逐渐回复至初始的直条形状，最终使得体系中各相处于最稳定的状态。除了将MXene作为形状记忆单元，还有一种机制不依赖MXene实现形状记忆功能。这种机制基于复合材料中其他成分的形状记忆效应或相变材料的特性，通过控制温度或其他外界刺激来实现形状的变化和恢复。如图4（b）所示，Gao等^［58］利用MXene、烯烃嵌段共聚物（OBC）和石蜡（PA）制备出MXene/OBC/PA基形状记忆复合材料。在体系中OBC作为固定相，维持体系的初始形状，PA作为可逆相，利用其在不同温度下结晶和熔融状态的转变，可有效设计所需的临时形状。利用体系中MXene优异的光热转换特性，可以赋予复合材料光响应形状记忆性能。此外，Jin等^［59］将MXene和石墨烯涂覆在PU海绵上，然后将MXene/石墨烯/PU复合海绵封装在熔融的聚乙二醇（PEG）中。利用PEG的形状记忆效应，可以较好实现复合材料在便携式电子设备中的应用。未来，MXene的形状记忆机制将继续受到关注和研究。可以进一步探索MXene与不同基体材料的相互作用机制，以实现更高效、可靠的形状记忆的MXene基复合材料的制备。此外，随着对可持续发展和环境友好材料的需求增加，MXene基复合材料在可降解形状记忆材料领域也具有巨大潜力。通过对MXene基复合材料的形状记忆机制的深入了解，在未来的发展中可以发挥更大的作用，为材料科学和工程领域带来新的突破和创新。

3 应用

MXene基形状记忆复合材料具有广泛的应用领域。其中，电磁屏蔽、信息传递、能量转换和火灾安全防护等方面是其主要应用之一。在电磁屏蔽方面，MXene基形状记忆复合材料可以制造出高效的电磁屏蔽材料，为敏感设备提供保护免受电磁辐射干扰。在信息传递方面，由于其高导电性和形状记忆特性，为可穿戴设备、柔性电子产品和智能纺织品等领域提供可靠且灵活的信息传递解决方案。此外，MXene基形状记忆复合材料还可用于能量转换领域，帮助实现能量的高效转换和存储，促进可再生能源的开发和利用。同时，它们还可应用于火灾领域，如预警系统。通过形状记忆效应，当温度超过特定阈值时，材料能够改变形状并触发火灾预警信号，提高火灾安全性。可以看出，MXene基形状记忆复合材料在电磁屏蔽、信息传递、能量转换和火灾预警等方面的应用前景广阔，将为各个领域带来更多的创新和发展机会。

3.1 电磁屏蔽

MXene基形状记忆复合材料在电磁屏蔽方面展现出卓越的能力，其独特的导电性和电磁波吸收能力使其成为一种理想的电磁屏蔽材料，能够在广泛的频率范围内提供稳定的屏蔽性能。此外，MXene基形状记忆复合材料还具有轻质薄型的特点，不会给敏感设备增加过多的质量和体积。这使得它在实际应用中更为便利，能够满足对设备尺寸和质量要求较高的场景，同时保持了出色的屏蔽性能。

如图5（a）所示，Jia等^［60］以天然Balsa木材作为原料，通过化学处理、冷冻干燥和碳化等步骤制备出可压缩的3D导电碳泡沫（CF）。随后通过反式1，4-聚异戊二烯（TPI）和MXene的混合溶液包覆，得到了具备形状记忆功能的TPI-MXene/CF复合泡沫材料。在复合材料体系中，TPI赋予其优异的形状记忆特性。室温下，TPI表现出较高的结晶度，能够稳定泡沫的形状。随着温度升高，结晶熔融，泡沫骨架变得具有弹性，因此可以被压缩或恢复至初始形状。该材料在厚度为2~10 mm和密度150 mg/cm³下具备25.3~44.7 dB的优异屏蔽性能，且屏蔽效能值可以根据不同压缩应变在一定范围内调节。如图5（b）所示，华中科技大学瞿金平院士团队^［61］利用喷涂法使MXene纳米片在多功能稳定形状相变材料（SSPCMs）的表面形成层层堆叠结构，制备出MXene/SSPCMs形状记忆复合材料，其多层结构的设计有助于通过多次内部反射和吸收充分损耗电磁波的能量。与此同时，MXene的应用不仅有助于构建材料导电网络，还能提高对太阳光的高效吸收。然而，MXene基形状记忆复合材料也存在一些缺点。例如，制备过程相对复杂，需要特殊的工艺和材料处理。此外，成本较高也是一个挑战，限制其在大规模应用中的推广和应用。

3.2 传感、信息传递

MXene基形状记忆复合材料在传感和信息传递领域展现一些显著的优势。这些复合材料具备形状记忆特性，能够根据外界刺激快速恢复其原始形状，这使得它们在传感应用中具备自适应和可编程的形状变化能力，能够适应各种环境和传感条件。由于MXene具有高表面积和卓越的电导率，因此有望赋予MXene基形状记忆复合材料具有出色的传感灵敏度，使得它们能够对温度、湿度、压力等多种物理和化学参数进行高度敏感的检测。如图6（a）所示，Xie等^［57］制备MXene/CNTs/EVA纤维形状记忆传感器。该传感器具有较大的应变感应范围（190%）、较高的灵敏度、超快的反应速度（178.9 ms）以及良好的耐久性和稳定性（>10000次）。此外，利用其形状记忆性能，MXene/CNTs/EVA纤维应变传感器可以实现自我修复，有效提升其使用寿命。MXene基形状记忆复合材料优异的可调控性使得研究人员能够根据特定应用需求进行定制设计，在信息传递领域展现出较好的应用前景。如图6（b）所示，Chi等^［62］设计一种MXene/水性环氧树脂（WEP）形状记忆复合材料。在此体系中，使用ASCⅡ表或特定的编码方法将信息转码为二进制序列。在选择纳米节点时，将二进制序列转换为特定的刺激指令，包括温度和压力参数。接着，通过形状记忆变形后的材料与刺激指令一起传输给接收者。经过热处理后，纳米复合材料恢复其原始形状，并置于特定仪器中以测试并获取相应的信号曲线。最终，通过纳米复合材料对应的解码码本，将刺激响应信号转换为数字信息（二进制序列）。因此，通过构建信息单元、热-机械耦合刺激条件和MXene/WEP复合材料的刺激-反应信号之间的编码对应关系，设计一个信息加密传输系统，为其在信息安全传输方面的应用提供一个新的策略。然而，MXene基形状记忆复合材料在制备过程中面临一些挑战，包括复杂的制备工艺和制备成本。因此，尽管具备潜力，但仍需要进一步研究和开发，以克服相关挑战，并实现其在传感和信息传递领域广泛应用的目标。

3.3 能量转换

MXene材料的优异的电导率、热导率和光热转换性能使其在能量转换中展现出卓越的性能，如优化的能源捕捉、储存和释放能力。此外，MXene基复合材料的形状记忆性能，使得其在能量转换装置中具备形状可变性和柔性，适用于多种能源转换和存储应用。如图7（a）所示，Shao等^［63］利用MXene/三聚氰胺（ML）/聚乙二醇（PEG）基形状记忆复合材料设计的热眼罩，可实现太阳能-热能的转换/储存。利用MXene的光热效应，近红外光照射眼罩，可将眼罩的温度提高到PEG的熔点（T_m）以上。此时，软化的复合材料能够将其弯曲的临时形状以适应人眼的曲率，在保持柔韧性的同时不会出现PEG液体泄漏。利用此种材料设计的热眼罩，可以紧密地贴在人的眼睛上，在一个稳定的温度范围内实现光热治疗。如图7（b）所示，He等^［64］设计的基于MXene/银纳米线（MA）/PEG的多孔形状记忆海绵材料，当阳光照射后复合材料温度迅速升高，光能由MXene转化为热能，并在55 ℃左右保持恒定一段时间。在此期间，热能被海绵中PEG吸收，其固液相变可以有效储存熔化潜热。当撤去光源后，由于液-固相的变化，PEG在40 ℃下可以恒定保持很长一段时间，从而可有效用于热能/太阳能存储。然而，MXene基形状记忆复合材料在能量转换领域也存在挑战。需要精确控制MXene的制备和复合材料的组成、结构等因素，这增加了制备的成本和技术难度。材料的稳定性和循环寿命等方面仍需要进一步研究和改进，以确保其在能量转换装置中的可靠性和长期稳定性。此外，与其他材料相比，MXene基形状记忆复合材料在能量转换领域的商业化应用仍处于早期阶段，需要进一步研发和实际应用验证其商业化前景。

3.4 火灾安全防护

MXene材料优异的光热转换和敏感性使其能够快速响应温度和热变化。设计的MXene基形状记忆复合材料能够在受到外界刺激后恢复其原始形状，从而实现在不同的环境和火灾条件下自适应和可重构的火灾预警系统的构建。如图8（a）所示，Zhang等^［53］设计出一种具有火灾预警功能的纸状SMPU/MXene复合材料。当环境温度高于SMPU的转变温度时，SMPU/MXene纸可以提供一个稳定的检测信号和理想的早期火灾警报反应。同时，SMPU/MXene纸有可能作为保险丝，根据电激活的特性，保护火灾报警系统免受火灾攻击。此外，MXene还能有效提升基体的阻燃性，为耐火材料的设计提供了可能。如图8（b）所示，Gao等^［58］设计出PA/OBC/MXene组成的柔性阻燃相变复合材料（CPCM）。得益于OBC的相分离结构和MXene的光热转换能力，CPCM表现出热/光驱动的形状记忆性能和89.60%的自修复效率。此外，MXene明显地提高了CPCM的阻燃性，使其可以在12 s内自熄灭。目前，虽然MXene基形状记忆复合材料在火灾预警和阻燃领域具有潜力，但其性能和制备的过程仍需要进一步提升和简化，需要更多的研究来推动其在火灾预警和阻燃领域的实际应用。

4 结论与展望

本文全面综述MXene基形状记忆复合材料近年来的研究进展，深入探讨其常见制备方法，包括MXene材料的制备过程以及与其他材料的复合制备方法。这些内容为研究者们提供多样化和灵活性的选择，以开发出具有更多种类和更优异性能的MXene基形状记忆复合材料。介绍MXene基形状记忆复合材料的形状记忆机制，通过探究材料的结构和相变特性，为理解其形状记忆效应的产生机制提供理论基础，从而有助于进一步优化和调控其性能。此外，讨论MXene基形状记忆复合材料在多个领域的潜在应用，包括电磁屏蔽、传感和信息传递、能量转换以及火灾安全防护等。这些材料的独特性质为这些领域带来巨大的发展潜力，能实现多种场景下的应用，为未来科学技术的发展带来广阔的可能性。

尽管MXene基形状记忆复合材料的设计、制备及应用已取得一定进展，但该领域仍处于起步阶段，有很大的发展空间。然而，MXene基形状记忆复合材料也面临一些挑战：（1）MXene材料的纯度和分散性须进一步改善，使其与基体具有良好的相互作用；（2）MXene基形状记忆复合材料的形状记忆性能的稳定性和可靠性需要增强；（3）对复合材料的物理和化学性质须进行深入研究；（4）其在实现大规模生产和商业化应用方面仍需要进行深入研究。为了推动MXene基形状记忆复合材料的发展，要进行持续的研究以解决当前存在的问题，并不断追求创新与优化，从而实现其在各个领域的广泛应用。

未来的研究需致力于开发高效且可控的MXene基形状记忆复合材料制备技术，满足大规模生产和商业化的需求。通过采用先进的合成方法和工艺优化，可以实现更高纯度、更均匀分散的MXene材料，并通过有效的界面匹配，提高复合材料的形状记忆性能稳定性和可靠性。此外，对MXene基形状记忆复合材料的物理和化学性质进行深入的探索也将是未来的重要研究方向，以揭示其形状记忆效应的机制，并为性能优化和创新提供指导。在应用领域，性能优化和创新也将是未来的研究关键。通过进一步将MXene与其他功能组分复合，开发出更高性能和多功能性的MXene基形状记忆复合材料，为其广泛应用提供更多可能性，并推动相关领域的技术进步和发展。

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基金资助

国家自然科学基金(52002095)

黑龙江省重点研发计划(2022ZX04A04)

湖南省自然科学基金(2022JJ40142)

中国博士后基金(2019M661274)