北化汪晓东教授团队 Adv. Sci.：三明治结构的氟化聚酰亚胺气凝胶/石蜡相变复合材料用于同时实现梯度热防护和透波性能
近日，北京化工大学材料科学与工程学院 汪晓东教授/刘欢副教授团队在《Advanced Science》期刊在线发表题为《Sandwich-Structured Fluorinated Polyimide Aerogel/Paraffin Phase-Change Composites Simultaneously Enables Gradient Thermal Protection and Electromagnetic Wave Transmission》的研究论文。
近年来，随着针对具有热防护和电磁波透过传输同步功能应用的先进功能材料需求日益增加，为了满足这一特殊应用要求，该团队开发了一种新型的聚酰亚胺（PI）气凝胶基三明治结构复合材料。这种复合材料是基于单向氟化聚酰亚胺（FPI）气凝胶作为下层，非定向无序PI气凝胶作为中间层，非定向FPI气凝胶/石蜡相变复合材料作为上层。下层具有独特的单向多孔结构和超低介电常数1.04。上层所负载石蜡的潜热容高达242.7 J g-1，具有动态温度调节能力。无序的PI气凝胶中间层的存在可以有效防止石蜡从上层渗漏到下层。通过三层功能层的合理整合，所开发的三明治结构复合材料不仅可以为热物体提供长时间的梯度热保护，而且还具有优异的透波能力，可以在两个电磁屏蔽电子设备之间建立通讯。基于FPI气凝胶及其复合材料与PCM的创新分层集成，本研究为开发先进功能材料及其结构设计提供有价值的见解，这些结构独特设计与热管理和电磁波传输是同时应用，在飞机、航天器、雷达系统和卫星通信方面具有巨大的应用潜力。
图1 (a) 三明治结构复合材料结构示意图及特点，(b) FPI气凝胶的反应机理, (c)三明治结构相变复合材料的制备流程。
图2 (a,b) 单向FPI气凝胶的水接触角；(c) 介电常数和 (d)介电损耗切线；(e) 孔隙率；(f) FPI分子模拟模型。(g) OT-46基FPI气凝胶在2.5 ~ 6.0 GHz频率的介电常数和损耗正切值。
图3 (a) 三明治结构相变复合材料的制备策略；(b) OT-46基非定向FPI气凝胶和 (c) OT-46@N-22复合材料的SEM图；(d) 相变复合材料的相变焓；(e) 与文献报道的相变焓对比；(f,g) 加热和 (h,i) 冷却过程中ODA@N-22、OT-46@N-22和TFB@N-22复合材料的红外热像图及相应的温度-时间演化曲线。
图4 (a) 中间层PI气凝胶SEM图；(b) 下层和中间层交界处的SEM图；(c) 上层和中间层交界处的SEM图；(d) OT-46基FPI气凝胶、OT-46/OT-46@N-22和OT-46@N-22复合材料示意图；加热180℃时OT-46基FPI气凝胶、OT-46/OT-46@N-22和OT-46@N-22复合材料的 (e) 红外热像图和 (f) 温度-时间曲线。自然冷却过程中的 (g) 红外热像图和 (h) 温度-时间曲线。加热180℃的OT-46/OT-46@N-22在侧面和表面 (i) 温度分布及j)温度-时间曲线；ODA/ODA@N-22、OT-46/OT-46@N-22、TFB/TFB@N-22的 (k) 红外热像图和 (l)温度-时间曲线。
图5 (a) OT-46/OT-46@N-22复合材料通过蓝牙连接手机与可穿戴智能手环进行电磁波传输实验的数字照片；(b) 夹层结构复合材料的热防护和波透射机理示意图。
北京化工大学材料科学与工程学院的博士生史涛和硕士生敬建伟为论文的第一作者，汪晓东教授和刘欢副教授为论文的通讯作者。该研究得到了北京市自然科学基金和中国科学院西部青年学者基金的支持。
在过于的2024年中，汪晓东团队在相变材料多功能化设计制备及多目标应用研究领域中取得了一系列显著成果，其中所获基于聚酰亚胺气凝胶三明治结构相变复合材料在高温长时间红外热隐身及热调控中的应用成果发表在Advanced Functional Materials上（2024, 34, 2309269; https://doi.org/10.1002/adfm.202309269）、基于相变材料3D打印太阳能蒸发器在海水淡化中的应用成果发表在Advanced Functional Materials上（2024, 34, 2316504; https://doi.org/10.1002/adfm.202316504）、基于冠醚修饰相变材料微胶囊在太阳能驱动盐湖水淡化和铯离子同步收集的应用成果发表在Advanced Functional Materials上（2024, 34, 2408269; https://doi.org/10.1002/adfm.202408269）、基于聚乙二醇-聚膦腈固-固相变材料MXene膜整合体的多功能化应用成果发表在Small上（2024, 2407626；https://doi.org/10.1002/smll.202407626），上述研究成果相变材料在多领域推广应用开发提供了科学依据和开发思路。
论文信息：
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.
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202411758
