北化汪曉東教授團隊 Adv. Sci.：三明治結構的氟化聚酰亞胺氣凝膠/石蠟相變復合材料用于同時實現梯度熱防護和透波性能
近日，北京化工大學材料科學與工程學院 汪曉東教授/劉歡副教授團隊在《Advanced Science》期刊在線發表題為《Sandwich-Structured Fluorinated Polyimide Aerogel/Paraffin Phase-Change Composites Simultaneously Enables Gradient Thermal Protection and Electromagnetic Wave Transmission》的研究論文。
近年來，隨著針對具有熱防護和電磁波透過傳輸同步功能應用的先進功能材料需求日益增加，為了滿足這一特殊應用要求，該團隊開發了一種新型的聚酰亞胺（PI）氣凝膠基三明治結構復合材料。這種復合材料是基于單向氟化聚酰亞胺（FPI）氣凝膠作為下層，非定向無序PI氣凝膠作為中間層，非定向FPI氣凝膠/石蠟相變復合材料作為上層。下層具有獨特的單向多孔結構和超低介電常數1.04。上層所負載石蠟的潛熱容高達242.7 J g-1，具有動態溫度調節能力。無序的PI氣凝膠中間層的存在可以有效防止石蠟從上層滲漏到下層。通過三層功能層的合理整合，所開發的三明治結構復合材料不僅可以為熱物體提供長時間的梯度熱保護，而且還具有優異的透波能力，可以在兩個電磁屏蔽電子設備之間建立通訊。基于FPI氣凝膠及其復合材料與PCM的創新分層集成，本研究為開發先進功能材料及其結構設計提供有價值的見解，這些結構獨特設計與熱管理和電磁波傳輸是同時應用，在飛機、航天器、雷達系統和衛星通信方面具有巨大的應用潛力。
圖1 (a) 三明治結構復合材料結構示意圖及特點，(b) FPI氣凝膠的反應機理, (c)三明治結構相變復合材料的制備流程。
圖2 (a,b) 單向FPI氣凝膠的水接觸角；(c) 介電常數和 (d)介電損耗切線；(e) 孔隙率；(f) FPI分子模擬模型。(g) OT-46基FPI氣凝膠在2.5 ~ 6.0 GHz頻率的介電常數和損耗正切值。
圖3 (a) 三明治結構相變復合材料的制備策略；(b) OT-46基非定向FPI氣凝膠和 (c) OT-46@N-22復合材料的SEM圖；(d) 相變復合材料的相變焓；(e) 與文獻報道的相變焓對比；(f,g) 加熱和 (h,i) 冷卻過程中ODA@N-22、OT-46@N-22和TFB@N-22復合材料的紅外熱像圖及相應的溫度-時間演化曲線。
圖4 (a) 中間層PI氣凝膠SEM圖；(b) 下層和中間層交界處的SEM圖；(c) 上層和中間層交界處的SEM圖；(d) OT-46基FPI氣凝膠、OT-46/OT-46@N-22和OT-46@N-22復合材料示意圖；加熱180℃時OT-46基FPI氣凝膠、OT-46/OT-46@N-22和OT-46@N-22復合材料的 (e) 紅外熱像圖和 (f) 溫度-時間曲線。自然冷卻過程中的 (g) 紅外熱像圖和 (h) 溫度-時間曲線。加熱180℃的OT-46/OT-46@N-22在側面和表面 (i) 溫度分布及j)溫度-時間曲線；ODA/ODA@N-22、OT-46/OT-46@N-22、TFB/TFB@N-22的 (k) 紅外熱像圖和 (l)溫度-時間曲線。
圖5 (a) OT-46/OT-46@N-22復合材料通過藍牙連接手機與可穿戴智能手環進行電磁波傳輸實驗的數字照片；(b) 夾層結構復合材料的熱防護和波透射機理示意圖。
北京化工大學材料科學與工程學院的博士生史濤和碩士生敬建偉為論文的第一作者，汪曉東教授和劉歡副教授為論文的通訊作者。該研究得到了北京市自然科學基金和中國科學院西部青年學者基金的支持。
在過于的2024年中，汪曉東團隊在相變材料多功能化設計制備及多目標應用研究領域中取得了一系列顯著成果，其中所獲基于聚酰亞胺氣凝膠三明治結構相變復合材料在高溫長時間紅外熱隱身及熱調控中的應用成果發表在Advanced Functional Materials上（2024, 34, 2309269; https://doi.org/10.1002/adfm.202309269）、基于相變材料3D打印太陽能蒸發器在海水淡化中的應用成果發表在Advanced Functional Materials上（2024, 34, 2316504; https://doi.org/10.1002/adfm.202316504）、基于冠醚修飾相變材料微膠囊在太陽能驅動鹽湖水淡化和銫離子同步收集的應用成果發表在Advanced Functional Materials上（2024, 34, 2408269; https://doi.org/10.1002/adfm.202408269）、基于聚乙二醇-聚膦腈固-固相變材料MXene膜整合體的多功能化應用成果發表在Small上（2024, 2407626；https://doi.org/10.1002/smll.202407626），上述研究成果相變材料在多領域推廣應用開發提供了科學依據和開發思路。
論文信息：
Tao Shi, Jianwei Jing, Zhiqiang Qian, Gaojie Wu, Guofeng Tian, Huan Liu*, and Xiaodong Wang*. Sandwich-Structured Fluorinated Polyimide Aerogel/Paraffin Phase-Change Composites Simultaneously Enables Gradient Thermal Protection and Electromagnetic Wave Transmission. Advanced Science, 2024, DOI: 10.1002/advs.202411758.
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202411758
