大自然是人類的良師，自然界中天然材料具有的一些獨特結構給材料學家?guī)砹藷o限的設計靈感。樹木是一類典型的各向異性材料，它的內部具有取向排列的管狀結構，用來定向輸送水和營養(yǎng)物質，這種取向排列的管狀結構使木材多個性能呈各向異性，并賦予材料獨特功能特性。借鑒樹木的結構，材料學家設計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/吸波領域的應用前景，***近四川大學高分子研究所劉鵬波教授、鄒華維教授團隊采用定向冰晶模板法，通過控制冰晶的生長方向，制備出具有定向有序通孔結構的各向異性聚酰亞胺/石墨烯復合氣凝膠材料。

圖1 聚酰亞胺/石墨烯復合氣凝膠材料制備過程

研究人員對聚酰胺酸銨鹽/石墨烯的水分散液進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，聚合物相則于冰晶之外形成孔壁。經(jīng)過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構。***后經(jīng)熱亞胺化，得到了具有定向有序通孔結構的各向異性聚酰亞胺/石墨烯復合氣凝膠材料。

各向異性的微觀結構

圖2 具有定向有序通孔結構的聚酰亞胺氣凝膠材料a：氣凝膠孔結構示意圖；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構，聚酰亞胺/石墨烯復合氣凝膠在垂直于孔結構取向方向的電磁屏蔽效能明顯高于平行于孔結構取向方向電磁屏蔽效能。聚酰亞胺/石墨烯復合氣凝膠的電磁屏蔽效能可達26.1~28.8dB（密度0.076 g·cm-3），比電磁屏蔽效能達到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 氣凝膠導熱實驗紅外熱成像圖a：聚酰亞胺氣凝膠垂直方向導熱情況；b：聚酰亞胺氣凝膠水平方向導熱情況；c：聚酰亞胺/石墨烯復合氣凝膠垂直方向導熱情況；d: 聚酰亞胺/石墨烯復合氣凝膠水平方向導熱情況

同時，聚酰亞胺/石墨烯復合氣凝膠導熱性能測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/石墨烯壓縮應力~應變曲線 a：沿垂直方向；b：沿水平方向

聚酰亞胺/石墨烯復合氣凝膠在垂直方向的壓縮強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；而且復合氣凝膠在水平方向具有良好的壓縮回復性，同時也具有優(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構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，通過引入功能填料，可設計制備出具有各向異性特征、性能優(yōu)化的多種輕質功能復合材料。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、電子電器等領域具有潛在應用前景，且方法簡單，無污染。本研究論文***作者為四川大學高分子研究所2019屆碩士研究生余智。