大自然是人類(lèi)的良師，自然界中天然材料具有的一些獨(dú)特結(jié)構(gòu)給材料學(xué)家?guī)?lái)了無(wú)限的設(shè)計(jì)靈感。樹(shù)木是一類(lèi)典型的各向異性材料，它的內(nèi)部具有取向排列的管狀結(jié)構(gòu)，用來(lái)定向輸送水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這種取向排列的管狀結(jié)構(gòu)使木材多個(gè)性能呈各向異性，并賦予材料獨(dú)特功能特性。借鑒樹(shù)木的結(jié)構(gòu)，材料學(xué)家設(shè)計(jì)和制備了多種具有各向異性的材料。

鑒于聚合物基微孔材料在電磁屏蔽/吸波領(lǐng)域的應(yīng)用前景，***近四川大學(xué)高分子研究所劉鵬波教授、鄒華維教授團(tuán)隊(duì)采用定向冰晶模板法，通過(guò)控制冰晶的生長(zhǎng)方向，制備出具有定向有序通孔結(jié)構(gòu)的各向異性聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合氣凝膠材料。

圖1 聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合氣凝膠材料制備過(guò)程

研究人員對(duì)聚酰胺酸銨鹽/石墨烯的水分散液進(jìn)行由底部至頂部的定向冷凍，水相遇冷形成冰晶并沿冷凍方向定向生長(zhǎng)，聚合物相則于冰晶之外形成孔壁。經(jīng)過(guò)冷凍干燥去除冰晶以后，得到了沿冷凍方向取向排列的孔道結(jié)構(gòu)。***后經(jīng)熱亞胺化，得到了具有定向有序通孔結(jié)構(gòu)的各向異性聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合氣凝膠材料。

各向異性的微觀結(jié)構(gòu)

圖2 具有定向有序通孔結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺氣凝膠材料a：氣凝膠孔結(jié)構(gòu)示意圖；b：氣凝膠垂直于冷凍方向截面SEM形貌；c：氣凝膠平行于冷凍方向截面SEM形貌

各向異性的電磁屏蔽性能

由于特殊的定向有序通孔結(jié)構(gòu)，聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合氣凝膠在垂直于孔結(jié)構(gòu)取向方向的電磁屏蔽效能明顯高于平行于孔結(jié)構(gòu)取向方向電磁屏蔽效能。聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合氣凝膠的電磁屏蔽效能可達(dá)26.1~28.8dB（密度0.076 g·cm-3），比電磁屏蔽效能達(dá)到1373~1518 dB·cm2·g-1，表現(xiàn)出優(yōu)異的電磁屏蔽性能。

圖3 聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合氣凝膠的電磁屏蔽效能

各向異性的傳熱性能

圖4 氣凝膠導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)紅外熱成像圖a：聚酰亞胺氣凝膠垂直方向?qū)崆闆r；b：聚酰亞胺氣凝膠水平方向?qū)崆闆r；c：聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合氣凝膠垂直方向?qū)崆闆r；d: 聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合氣凝膠水平方向?qū)崆闆r

同時(shí)，聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合氣凝膠導(dǎo)熱性能測(cè)試表明熱量沿氣凝膠孔道取向方向的傳遞比水平方向更快，顯示出對(duì)熱傳遞的各向異性。

各向異性的壓縮性能

圖5 聚酰亞胺/石墨烯壓縮應(yīng)力~應(yīng)變曲線 a：沿垂直方向；b：沿水平方向

聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合氣凝膠在垂直方向的壓縮強(qiáng)度明顯高于其水平方向，材料的壓縮性能表現(xiàn)出明顯的各向異性；而且復(fù)合氣凝膠在水平方向具有良好的壓縮回復(fù)性，同時(shí)也具有優(yōu)良的電磁屏蔽性能。

該研究的意義在于獲得了一種具有定向有序通孔結(jié)構(gòu)和性能各向異性特征的氣凝膠材料制備方法，基于這一方法，通過(guò)引入功能填料，可設(shè)計(jì)制備出具有各向異性特征、性能優(yōu)化的多種輕質(zhì)功能復(fù)合材料。本次研究制備的聚酰亞胺氣凝膠超輕、柔韌，具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能及耐熱性，在航空航天、電子電器等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景，且方法簡(jiǎn)單，無(wú)污染。本研究論文***作者為四川大學(xué)高分子研究所2019屆碩士研究生余智。