近年来，高性能轻质碳气凝胶（carbon aerogels）材料在电化学、催化、吸附、储能等领域受到了广泛关注，但目前的碳气凝胶材料大多呈各向同性，无法满足某些复杂应用条件下对材料在不同方向上性能的要求。受木材各向异性结构的启发，四川大学刘鹏波教授、邹华维教授团队在前期研究工作中，验证了构筑各向异性结构的聚酰亚胺气凝胶的可行性和优越之处（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 30990-31001）。在此基础上，该团队近期以聚酰亚胺气凝胶作为碳前驱体，通过有序孔结构的构建和片状纳米组分的引入，制备了具有各向异性隔热和电磁屏蔽性能的碳/石墨烯复合气凝胶材料。
该工作通过对聚酰胺酸铵盐/氧化石墨烯悬浮液进行单向冷冻，然后经过冷冻干燥、热亚胺化和碳化，制得了各向异性的碳/石墨烯复合气凝胶（图1）。得益于聚酰亚胺基体优良的热稳定性，气凝胶的有序孔结构在碳化过程中得以保持（图2）。添加氧化石墨烯有效抑制了聚酰亚胺气凝胶在碳化过程中的收缩，从而显著降低了碳气凝胶的密度（图3）。复合气凝胶在垂直于孔结构取向方向（径向）的热导率显著低于平行于孔结构取向方向（轴向）的热导率，这是由于在气凝胶径向方向，层层堆砌排列的孔壁有效阻隔了该方向上热量的传递；同时，沿气凝胶轴向的有效散热避免了热量的积累，从而提高了复合气凝胶的隔热性能；此外，石墨烯片还起到增大界面热阻，降低固体热导率的作用（图4）。石墨烯的引入有利于提高聚酰亚胺气凝胶在碳化过程中的石墨化程度（图5），从而提高其电导率和电磁屏蔽性能。沿轴向进入复合气凝胶的电磁波更容易穿透气凝胶，而径向入射的电磁波则更容易被困在孔洞中并在孔壁间多次反射，最终以热的形式耗散掉，因此复合气凝胶的径向电磁屏蔽效能高于轴向（图6）。石墨烯组分和取向孔结构的协同作用有效提高了复合气凝胶的隔热和电磁屏蔽性能。当密度为0.074 g cm–3时，复合气凝胶在径向上表现出优异的隔热性能（λ=0.038 W m–1 K–1）和电磁屏蔽性能（EMI SE=54.6 dB）。
图1 碳/石墨烯复合气凝胶的制备过程
图2 碳/石墨烯复合气凝胶的微观形貌及孔径分布
图3 碳/石墨烯复合气凝胶在碳化过程中的体积收缩、质量损失及密度变化
图4 碳/石墨烯复合气凝胶的热性能
图5 碳/石墨烯复合气凝胶在碳化过程中的结构演变
图6 碳/石墨烯复合气凝胶的电磁屏蔽性能
该研究的意义在于获得了一种具有有序孔结构和性能各向异性特征的碳气凝胶的制备方法。该方法工艺简单，绿色环保，制备的碳气凝胶具有优良的隔热和电磁屏蔽性能，在航空、航天等领域具有良好的应用前景。
该工作以“Anisotropic and Lightweight Carbon/Graphene Composite Aerogels for Efficient Thermal Insulation and Electromagnetic Interference Shielding”为题发表于《 ACS Appl. Mater. Interfaces》上。论文通讯作者为四川大学高分子研究所邹华维教授和刘鹏波教授，论文第一作者为四川大学高分子研究所2020级硕士研究生蒋欣悦。该研究得到了先进功能复合材料技术重点实验室资助支持。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c13000
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