碳纳米管/PI复合气凝胶，具有定向微通道，用于微波吸收和热隔离

摘要：事实证明，聚合物气凝胶是获得高性能、轻质电磁微波（EMW）吸收材料的理想选择。本文，西安建筑科技大学任小虎副教授团队在《Carbon》期刊发表名为“Permittivity controllable CNTs/PI composite aerogels wi

1成果简介

事实证明，聚合物气凝胶是获得高性能、轻质电磁微波（EMW）吸收材料的理想选择。本文，西安建筑科技大学任小虎副教授团队在《Carbon》期刊发表名为“Permittivity controllable CNTs/PI composite aerogels with oriented microchannels for advanced microwave absorption and thermal isolation”的论文，研究选择聚酰亚胺（PI）作为基体，改性碳纳米管（CNTs）作为微波吸收体，制备了一种轻质、耐高温、具有定向微通道结构的 M-CNTs/PI复合气凝胶。改性CNT 表面的富氧基团使其能够均匀地分散在 PI 基体中，并诱导出强偶极极化和界面极化。复合气凝胶具有优异的导电性，因此传导损耗显著。

当复合材料中 M-CNT 的质量分数达到 30% 时，在匹配厚度为 2.5 mm 时，15.36 GHz 下的 RLmin 为 -41 dB。我们特别通过实验对比结合有限元分析，阐明了微孔取向对复合气凝胶电磁特性的影响机制，为先进电磁波吸收材料的设计提供了宝贵的启示。同时，独特的取向微通道结构赋予了复合气凝胶优异的力学性能和隔热性能。这种高性价比、简单而高性能的解决方案在促进多功能微波吸收材料在高温或其他极端条件下的应用方面具有巨大潜力。

2图文导读

图1. (a) M-CNTs/PI 气凝胶制备过程示意图。(b) 从垂直和水平方向观察到的 M-CNTs/PI 扫描电镜显微照片。(c) 不同复合气凝胶的ATR-FTIR光谱。(d) 不同复合气凝胶的 XRD 光谱。

图2. 样品的介电性能：(a) 实部、(b) 虚部和 (c) 介电损耗正切。

图3. 反射损耗值与频率关系：PIC-1(a,b,c)、PIC-2(d,e,f)、PIC-3(g,h,i)、PIC-4(j,k,l) 的反射损耗值曲线和三维图，以及二维反射损耗等值线图。

图4. (a) 具有均匀微孔结构的 M-CNTs/PI 复合气凝胶的扫描电镜。(b) 有定向微通道和无定向微通道的 M-CNTs/PI 复合气凝胶的介电常数。(c) 具有均匀微孔结构的 M-CNTs/PI 复合气凝胶的 RL。(d)-(f) 通过有限元分析模拟的具有不同孔隙结构的复合气凝胶的功率损耗。

图5. (a) 与已报道的复合气凝胶相比，考虑到 RLmin、厚度、EAB 和密度的 MA 特性比较。(b) M-CNTs/PI 气凝胶的电磁波吸收机制示意图.

图6. (a) 样品从室温到 800 °C 的热重曲线。(b) 立在树叶上的样品和重达100 g的 0.14g样品的数码照片。(c) PIC-3 垂直方向的应变应力曲线，以及 (d) PIC-3 水平方向的应变应力曲线。(e) 复合气凝胶的隔热性能图。

3小结

综上所述，作者以聚苯乙烯为基体，改性碳纳米管为增强体和微波吸收体，通过定向冷冻干燥和热亚胺化制备了一种轻质耐高温、具有定向微孔结构的 M-CNTs/PI 复合气凝胶。当复合材料中的M-CNTs质量分数达到30%时，在匹配厚度为2.5mm 时，15.36GHz的 RLmin 可达到 41dB，而当厚度为 3.0 mm 时，宽 EAB 可达到6.88GHz。此外，复合气凝胶具有出色的热稳定性，在空气中的初始分解温度超过400 ℃。低至 0.045g/cm3 的密度赋予了复合气凝胶优异的隔热性能。这项研究为生产耐高温、轻质的多功能电磁波吸收材料提供了一种可行的方法。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119883