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  柔性、輕質(zhì)和可壓縮的高效電磁屏蔽材料的發(fā)展對(duì)從航空航天到柔性電子產(chǎn)品的各種應(yīng)用至關(guān)重要。導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料（CPCs）因其低密度、易加工和耐腐蝕性能備受關(guān)注。然而，導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料中導(dǎo)電填料在電磁屏蔽效能和機(jī)械性能之間的平衡仍然面臨著重大挑戰(zhàn)，僅僅增大CPCs中導(dǎo)電填料的含量無(wú)法滿足電磁屏蔽材料“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求。

  為此，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳海明副研究員、閻敬靈研究員和王震研究員通過(guò)水相合成聚酰亞胺的路線，雙模板策略（冰晶模板和可犧牲模板），設(shè)計(jì)了一種分級(jí)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺/石墨烯氣凝膠，以滿足先進(jìn)電磁屏蔽材料“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求，制備過(guò)程綠色環(huán)保，實(shí)現(xiàn)了氣凝膠力學(xué)性能和電磁屏蔽性能的兼容。

  2025年6月5日，相關(guān)研成果以“Hierarchically Porous Polyimide/Graphene Aerogels with Superior Compressibility and Electromagnetic Interference Shielding Performance”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A期刊上。中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所碩士研究生趙月浩為第一作者，陳海明副研究員和閻敬靈研究員為共同通訊作者。

【氣凝膠的制備】

  該研究以1，2-二甲基咪唑作為成鹽劑，以3，3’，4，4’-聯(lián)苯四羧酸二酐(BPDA)和對(duì)苯二胺(PDA)為單體，以水作為溶劑合成了水溶性聚酰胺酸鹽(PAAS)，然后將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和石墨烯與PAAS共混，然后進(jìn)行定向冷凍干燥制備了具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺/石墨烯氣凝膠。制備過(guò)程如圖1所示。

圖1.聚酰亞胺/石墨烯氣凝膠制備示意圖

【氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)表征】

  通過(guò)雙模板策略制備的聚酰亞胺/石墨烯氣凝膠中，冰晶模板升華后在氣凝膠內(nèi)部形成30 mm左右的定向孔道，PMMA微球熱分解后在氣凝膠孔壁形成次級(jí)開(kāi)孔。結(jié)合掃描電鏡和孔徑分析分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)主要包含以下四級(jí)孔道：1)孔徑小于1 mm的孔，由石墨烯片之間的非緊密堆積形成；2)孔徑在1-5 mm的孔，由PMMA微球熱分解形成；3)孔徑在5-27 mm的孔，由熱分解的聚集的PMMA微球和冰晶升華形成；4)孔徑在27-45 mm的定向孔道，由冰晶升華形成（圖2）。

圖2.聚酰亞胺/石墨烯氣凝膠的微觀形貌

【氣凝膠的電磁屏蔽性能】

  這種分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)帶來(lái)了優(yōu)異的電磁屏蔽性能。由于石墨烯與空氣之前阻抗不配，電磁波首先在氣凝膠表面產(chǎn)生反射。其余電磁波進(jìn)入氣凝膠內(nèi)部，在冰晶模板產(chǎn)生的大孔道中產(chǎn)生大量多重反射，PMMA微球熱分解產(chǎn)生的次級(jí)開(kāi)孔進(jìn)一步增強(qiáng)這一效果，與沒(méi)有分級(jí)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠相比，具有分級(jí)多孔開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠電磁屏蔽性能提升了103.8%，達(dá)到了48.3 dB。

圖3.聚酰亞胺/石墨烯氣凝膠的電磁屏蔽性能

【氣凝膠的循環(huán)壓縮性能】

  循環(huán)壓縮性能對(duì)于氣凝膠十分重要。分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的引入，提升了氣凝膠的抗壓強(qiáng)度，降低了氣凝膠的模量，具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠的抗壓強(qiáng)度提升了59.5%。這種分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)建了一個(gè)可以吸收和耗散外部能量的彈性框架，使得氣凝膠可以保護(hù)鵪鶉蛋從110 cm高處做自由落體運(yùn)動(dòng)而不被摔壞（圖4）。

圖4.聚酰亞胺/石墨烯氣凝膠的壓縮性能

  綜上所述，本研究通過(guò)水溶性PAAS、石墨烯和PMMA球的共混，再進(jìn)行熱酰亞化和PMMA的熱處理，制備了具有二級(jí)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺/石墨烯氣凝膠。隨機(jī)分布的開(kāi)放孔結(jié)構(gòu)和微通道的結(jié)合構(gòu)成了聚酰亞胺/石墨烯氣凝膠的分層多孔結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)顯著改善了內(nèi)部反射，從而提高了氣凝膠的EMI SE。其中，P₁G₂M₆的EMI SE為48.3 dB （X波段），比無(wú)二次開(kāi)孔的P₁G₂M₀高103.8%。此外，聚酰亞胺基質(zhì)確保了氣凝膠的機(jī)械穩(wěn)健性，在石墨烯含量為66.7%、孔隙率為96.2%時(shí)仍表現(xiàn)出優(yōu)異的抗壓性能。在這項(xiàng)工作中開(kāi)發(fā)的氣凝膠在航空航天和電子工業(yè)中顯示出巨大的應(yīng)用潛力。

  該工作得到了浙江省自然科學(xué)基金(ZYQ25E030001),寧波市自然科學(xué)基金(2023J407、2023S054)，浙江省領(lǐng)軍型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)引進(jìn)計(jì)劃(2021R01005)，國(guó)家資助博士后研究人員計(jì)劃(GZC20232797)的支持。

  原文鏈接：

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ta/d5ta02068a

  (DOI: 10.1039/d5ta02068a)