柔性、轻质和可压缩的高效电磁屏蔽材料的发展对从航空航天到柔性电子产品的各种应用至关重要。导电聚合物复合材料（CPCs）因其低密度、易加工和耐腐蚀性能备受关注。然而，导电聚合物复合材料中导电填料在电磁屏蔽效能和机械性能之间的平衡仍然面临着重大挑战，仅仅增大CPCs中导电填料的含量无法满足电磁屏蔽材料“薄、轻、宽、强”的要求。

  为此，中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈海明副研究员、阎敬灵研究员和王震研究员通过水相合成聚酰亚胺的路线，双模板策略（冰晶模板和可牺牲模板），设计了一种分级开孔结构的聚酰亚胺/石墨烯气凝胶，以满足先进电磁屏蔽材料“薄、轻、宽、强”的要求，制备过程绿色环保，实现了气凝胶力学性能和电磁屏蔽性能的兼容。

  2025年6月5日，相关研成果以“Hierarchically Porous Polyimide/Graphene Aerogels with Superior Compressibility and Electromagnetic Interference Shielding Performance”为题发表在Journal of Materials Chemistry A期刊上。中国科学院宁波材料技术与工程研究所硕士研究生赵月浩为第一作者，陈海明副研究员和阎敬灵研究员为共同通讯作者。

【气凝胶的制备】

  该研究以1，2-二甲基咪唑作为成盐剂，以3，3’，4，4’-联苯四羧酸二酐(BPDA)和对苯二胺(PDA)为单体，以水作为溶剂合成了水溶性聚酰胺酸盐(PAAS)，然后将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和石墨烯与PAAS共混，然后进行定向冷冻干燥制备了具有分级多孔结构的聚酰亚胺/石墨烯气凝胶。制备过程如图1所示。

图1.聚酰亚胺/石墨烯气凝胶制备示意图

【气凝胶的微观结构表征】

  通过双模板策略制备的聚酰亚胺/石墨烯气凝胶中，冰晶模板升华后在气凝胶内部形成30 mm左右的定向孔道，PMMA微球热分解后在气凝胶孔壁形成次级开孔。结合扫描电镜和孔径分析分级多孔结构主要包含以下四级孔道：1)孔径小于1 mm的孔，由石墨烯片之间的非紧密堆积形成；2)孔径在1-5 mm的孔，由PMMA微球热分解形成；3)孔径在5-27 mm的孔，由热分解的聚集的PMMA微球和冰晶升华形成；4)孔径在27-45 mm的定向孔道，由冰晶升华形成（图2）。

图2.聚酰亚胺/石墨烯气凝胶的微观形貌

【气凝胶的电磁屏蔽性能】

  这种分级多孔结构带来了优异的电磁屏蔽性能。由于石墨烯与空气之前阻抗不配，电磁波首先在气凝胶表面产生反射。其余电磁波进入气凝胶内部，在冰晶模板产生的大孔道中产生大量多重反射，PMMA微球热分解产生的次级开孔进一步增强这一效果，与没有分级开孔结构的气凝胶相比，具有分级多孔开孔结构的气凝胶电磁屏蔽性能提升了103.8%，达到了48.3 dB。

图3.聚酰亚胺/石墨烯气凝胶的电磁屏蔽性能

【气凝胶的循环压缩性能】

  循环压缩性能对于气凝胶十分重要。分级多孔结构的引入，提升了气凝胶的抗压强度，降低了气凝胶的模量，具有分级多孔结构的气凝胶的抗压强度提升了59.5%。这种分级多孔结构构建了一个可以吸收和耗散外部能量的弹性框架，使得气凝胶可以保护鹌鹑蛋从110 cm高处做自由落体运动而不被摔坏（图4）。

图4.聚酰亚胺/石墨烯气凝胶的压缩性能

  综上所述，本研究通过水溶性PAAS、石墨烯和PMMA球的共混，再进行热酰亚化和PMMA的热处理，制备了具有二级开孔结构的聚酰亚胺/石墨烯气凝胶。随机分布的开放孔结构和微通道的结合构成了聚酰亚胺/石墨烯气凝胶的分层多孔结构。这种独特的结构显著改善了内部反射，从而提高了气凝胶的EMI SE。其中，P₁G₂M₆的EMI SE为48.3 dB （X波段），比无二次开孔的P₁G₂M₀高103.8%。此外，聚酰亚胺基质确保了气凝胶的机械稳健性，在石墨烯含量为66.7%、孔隙率为96.2%时仍表现出优异的抗压性能。在这项工作中开发的气凝胶在航空航天和电子工业中显示出巨大的应用潜力。

  该工作得到了浙江省自然科学基金(ZYQ25E030001),宁波市自然科学基金(2023J407、2023S054)，浙江省领军型创新创业团队引进计划(2021R01005)，国家资助博士后研究人员计划(GZC20232797)的支持。

  原文链接：

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ta/d5ta02068a

  (DOI: 10.1039/d5ta02068a)