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

  為此，中國科學院寧波材料技術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），設計了一種分級開孔結構的聚酰亞胺/石墨烯氣凝膠，以滿足先進電磁屏蔽材料“薄、輕、寬、強”的要求，制備過程綠色環(huán)保，實現(xiàn)了氣凝膠力學性能和電磁屏蔽性能的兼容。

  2025年6月5日，相關研成果以“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。中國科學院寧波材料技術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，然后進行定向冷凍干燥制備了具有分級多孔結構的聚酰亞胺/石墨烯氣凝膠。制備過程如圖1所示。

圖1.聚酰亞胺/石墨烯氣凝膠制備示意圖

【氣凝膠的微觀結構表征】

  通過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開孔。結合掃描電鏡和孔徑分析分級多孔結構主要包含以下四級孔道：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】

  這種分級多孔結構帶來了優(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生反射。其余電磁波進入氣凝膠內部，在冰晶模板產生的大孔道中產生大量多重反射，PMMA微球熱分解產生的次級開孔進一步增強這一效果，與沒有分級開孔結構的氣凝膠相比，具有分級多孔開孔結構的氣凝膠電磁屏蔽性能提升了103.8%，達到了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)壓縮性能對于氣凝膠十分重要。分級多孔結構的引入，提升了氣凝膠的抗壓強度，降低了氣凝膠的模量，具有分級多孔結構的氣凝膠的抗壓強度提升了59.5%。這種分級多孔結構構建了一個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鵪鶉蛋從110 cm高處做自由落體運動而不被摔壞（圖4）。

圖4.聚酰亞胺/石墨烯氣凝膠的壓縮性能

  綜上所述，本研究通過水溶性PAAS、石墨烯和PMMA球的共混，再進行熱酰亞化和PMMA的熱處理，制備了具有二級開孔結構的聚酰亞胺/石墨烯氣凝膠。隨機分布的開放孔結構和微通道的結合構成了聚酰亞胺/石墨烯氣凝膠的分層多孔結構。這種獨特的結構顯著改善了內部反射，從而提高了氣凝膠的EMI SE。其中，P₁G₂M₆的EMI SE為48.3 dB （X波段），比無二次開孔的P₁G₂M₀高103.8%。此外，聚酰亞胺基質確保了氣凝膠的機械穩(wěn)健性，在石墨烯含量為66.7%、孔隙率為96.2%時仍表現(xiàn)出優(yōu)異的抗壓性能。在這項工作中開發(fā)的氣凝膠在航空航天和電子工業(yè)中顯示出巨大的應用潛力。

  該工作得到了浙江省自然科學基金(ZYQ25E030001),寧波市自然科學基金(2023J407、2023S054)，浙江省領軍型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊引進計劃(2021R01005)，國家資助博士后研究人員計劃(GZC20232797)的支持。

  原文鏈接：

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

  (DOI: 10.1039/d5ta02068a)