环氧树脂在航空航天、轨道交通和汽车工业中有着广泛的应用，是一种典型的热固性树脂，由于环氧树脂本身断裂韧性较低，同时绝缘的特点，限制了其在高性能导电结构功能一体化复合材料中的进一步应用。

通常在环氧树脂中添加大量导电纳米材料，例如石墨烯、MXene等虽然可以大幅度提高环氧复合材料的电导率，但往往会降低其力学性能。因此，添加微量纳米材料实现大幅度提高环氧树脂的断裂韧性，并赋予其高电导率等功能特性，仍然是环氧树脂复合材料研究领域面临的一个巨大挑战。

近日，受天然贝壳层状结构的启发，程群峰教授课题组提出利用退火结合表面修饰的协同策略构筑了高断裂韧性且导电的MXene/环氧树脂层状纳米复合材料，简称为导电贝壳。

首先采用双向冷冻铸造技术，以MXene为基元材料，构筑了MXene/羧甲基纤维素钠（CMC）层状骨架。通过对层状骨架退火并进行表面修饰，再利用真空辅助灌注环氧树脂并固化，获得了高断裂韧性的导电贝壳。

这种仿生层状结构的导电贝壳在保留环氧树脂良好弯曲强度的基础上，实现了大幅提高环氧树脂的断裂韧性，高达4.86 MPa m^1/2，是纯环氧树脂的8倍，显示出优异的抵抗裂纹扩展的能力，其综合力学性能可以与许多工程材料相媲美。

通过退火工艺提高了MXene纳米片的取向度，同时采用（3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷（γ-MPS）偶联剂分子对MXene纳米片进行表面修饰，通过共价键Ti-O-Si提高界面强度。通过控制CMC的含量，调控MXene纳米片层间距d。当层间距d达到2.05nm时，纳米限域空间内CMC高分子链的运动受限，MXene纳米片与CMC高分子之间的相互作用达到最大。这些因素实现了协同效应，从而提高了导电贝壳的弯曲强度和断裂韧性。

层状骨架经过退火和表面修饰后，由于MXene纳米片取向度的提高和界面作用的增强，导电贝壳沿取向方向的电导率高达1.28 S/m。由于层状结构的设计，导电贝壳不仅能够实现对环氧纳米复合材料结构完整性的自监测，还具有优异的电磁屏蔽效能28 dB。

这项开创性研究成果对开发高性能高分子纳米复合材料具有重要的意义，其核心是揭示了退火提高MXene纳米片取向度和表面修饰提高界面强度的协同增强增韧机制，获得了兼具力学性能和导电性能的高分子纳米复合材料，展现了裂纹自监测和电磁屏蔽干扰的多功能应用，在航空航天领域具有潜在的应用价值，为开发高性能、导电、耐损伤的高分子纳米复合材料提供了新的途径。