川大科学家发明“具有取向孔结构的聚酰亚胺气凝胶功能复合材料”

大自然是人类的良师，自然界中天然材料具有的一些独特结构给材料学家带来了无限的设计灵感。树木是一类典型的各向异性材料，它的内部具有取向排列的管状结构，用来定向输送水和营养物质，这种取向排列的管状结构使木材多个性能呈各向异性，并赋予材料独特功能特性。借鉴树木的结构，材料学家设计和制备了多种具有各向异性的材料。

鉴于聚合物基微孔材料在电磁屏蔽/吸波领域的应用前景，最近四川大学高分子研究所刘鹏波教授、邹华维教授团队采用定向冰晶模板法，通过控制冰晶的生长方向，制备出具有定向有序通孔结构的各向异性聚酰亚胺/石墨烯复合气凝胶材料。

图1 聚酰亚胺/石墨烯复合气凝胶材料制备过程

研究人员对聚酰胺酸铵盐/石墨烯的水分散液进行由底部至顶部的定向冷冻，水相遇冷形成冰晶并沿冷冻方向定向生长，聚合物相则于冰晶之外形成孔壁。经过冷冻干燥去除冰晶以后，得到了沿冷冻方向取向排列的孔道结构。最后经热亚胺化，得到了具有定向有序通孔结构的各向异性聚酰亚胺/石墨烯复合气凝胶材料。

各向异性的微观结构

图2 具有定向有序通孔结构的聚酰亚胺气凝胶材料a：气凝胶孔结构示意图；b：气凝胶垂直于冷冻方向截面SEM形貌；c：气凝胶平行于冷冻方向截面SEM形貌

各向异性的电磁屏蔽性能

由于特殊的定向有序通孔结构，聚酰亚胺/石墨烯复合气凝胶在垂直于孔结构取向方向的电磁屏蔽效能明显高于平行于孔结构取向方向电磁屏蔽效能。聚酰亚胺/石墨烯复合气凝胶的电磁屏蔽效能可达26.1~28.8dB（密度0.076 g·cm-3），比电磁屏蔽效能达到1373~1518 dB·cm2·g-1，表现出优异的电磁屏蔽性能。

图3 聚酰亚胺/石墨烯复合气凝胶的电磁屏蔽效能

各向异性的传热性能

图4 气凝胶导热实验红外热成像图a：聚酰亚胺气凝胶垂直方向导热情况；b：聚酰亚胺气凝胶水平方向导热情况；c：聚酰亚胺/石墨烯复合气凝胶垂直方向导热情况；d: 聚酰亚胺/石墨烯复合气凝胶水平方向导热情况

同时，聚酰亚胺/石墨烯复合气凝胶导热性能测试表明热量沿气凝胶孔道取向方向的传递比水平方向更快，显示出对热传递的各向异性。

各向异性的压缩性能

图5 聚酰亚胺/石墨烯压缩应力~应变曲线 a：沿垂直方向；b：沿水平方向

聚酰亚胺/石墨烯复合气凝胶在垂直方向的压缩强度明显高于其水平方向，材料的压缩性能表现出明显的各向异性；而且复合气凝胶在水平方向具有良好的压缩回复性，同时也具有优良的电磁屏蔽性能。

该研究的意义在于获得了一种具有定向有序通孔结构和性能各向异性特征的气凝胶材料制备方法，基于这一方法，通过引入功能填料，可设计制备出具有各向异性特征、性能优化的多种轻质功能复合材料。本次研究制备的聚酰亚胺气凝胶超轻、柔韧，具有优异的电磁屏蔽性能及耐热性，在航空航天、电子电器等领域具有潜在应用前景，且方法简单，无污染。本研究论文第一作者为四川大学高分子研究所2019届硕士研究生余智。