【中國科學(xué)報】他們在“塑料黃金”里持續(xù)挖“寶”
中國科學(xué)報見習(xí)記者 江慶齡
冬日的一天工作結(jié)束后，來一頓熱氣騰騰的火鍋，無疑是一大樂事。夾上一片牛肚，在鍋里涮上10秒，放入早已調(diào)好蘸料的碗里，然后送入口中，爽脆的口感讓人越嚼越香。
受到牛肚天然的蜂窩和褶皺結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（以下簡稱寧波材料所）高分子與復(fù)合材料實驗室芳雜環(huán)高分子團隊提出了一種多級形貌調(diào)控新策略，并開發(fā)出具有高電磁屏蔽效能及回彈性的聚酰亞胺/碳納米管復(fù)合氣凝膠，進一步拓展了聚酰亞胺材料在高溫條件下的應(yīng)用范圍。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《先進材料》。
從牛肚獲得靈感
“喂喂，我進電梯了，信號不好?！彪S著電梯門合上，電話那頭的聲音就會變得斷斷續(xù)續(xù)。
其根源是電磁屏蔽。在電梯這一“金屬盒子”的隔絕下，手機對外發(fā)射的電磁信號被周圍金屬反射或者吸收，無法傳播出去。
聽起來，電磁屏蔽令人惱火。但倘若沒有它，我們生活的世界會變得一團糟。正如附近房屋裝修時的電鉆聲會干擾音響播放的古典音樂，電子設(shè)備運行時，也在向外發(fā)射電磁波，碰到附近其他電子設(shè)備時，就會互相影響。這時，就需要通過電磁屏蔽技術(shù)，把電子設(shè)備用無形的“防護罩”保護起來。這樣，各類電子設(shè)備才能夠不受外部電磁“噪聲”影響，穩(wěn)定、正常工作。
然而，在人類足跡向星辰大海延伸的過程中，各種嚴(yán)苛環(huán)境對電磁屏蔽技術(shù)提出了新的要求。
研究發(fā)現(xiàn)，聚酰亞胺具有耐高溫、機械強度和柔韌性等特性，能夠應(yīng)對許多極端和苛刻的環(huán)境，因此也被稱為“解決問題的能手”。作為絕緣體的聚酰亞胺通過與導(dǎo)電填料“合作”，構(gòu)筑起電磁防護罩。
“電磁屏蔽的原理，簡單來說就是讓電磁信號在干擾設(shè)備前先耗散掉。”寧波材料所副研究員陳海明介紹，相當(dāng)一部分耗散發(fā)生在界面處，倘若材料內(nèi)部比表面積足夠大，就能解決電磁干擾問題。
團隊很自然就想到了內(nèi)部有很多密密麻麻小隔間的牛肚?！拔覀兿胱龅?，就是類似牛肚結(jié)構(gòu)的氣凝膠材料。當(dāng)電磁信號入射材料后，在密密麻麻的小隔間里‘迷路’，經(jīng)過四處‘碰壁’，能量就以多種形式耗散掉，不會再跑出去干擾電子設(shè)備了?！标惡Ｃ髡f道。
同時，研究團隊也希望通過改變材料的內(nèi)在特征，給這層防護罩再加些耐高溫的“防護盾”。
最終找到一個“配方”
思路有了，接下來就是把材料做出來。團隊采用了冷凍干燥技術(shù)制備氣凝膠，前驅(qū)體則是水溶性聚酰胺酸鹽與碳納米管的水性分散液。
所謂冷凍干燥技術(shù)，就是在低溫低壓條件下，使被凍結(jié)物料中的冰或其他凍結(jié)溶劑直接升華為氣態(tài)，從而獲得干燥的多孔材料。這也意味著，體系組成直接影響著最后的材料性能，聚酰亞胺分子鏈結(jié)構(gòu)做成剛性還是柔性、碳納米管量加多少合適、水溶液中加多少水……都需要仔細(xì)考察驗證。
在理論設(shè)計的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量實驗驗證，論文第一作者喬士亞在寧波材料所做博士后研究時通過反復(fù)優(yōu)化實驗參數(shù)，最終找到了一個“配方”。
他們發(fā)現(xiàn)，在聚酰胺酸鹽溶液中引入高含量碳納米管可以增加體系黏度，有效抑制冰晶生長，并在升華過程中產(chǎn)生局部爆破力。由此制備出的聚酰亞胺/碳納米管復(fù)合氣凝膠具有獨特的三級結(jié)構(gòu)，包括宏觀的中心輻射形態(tài)、微觀類牛肚狀褶皺結(jié)構(gòu)及納米尺度的碳納米管橋聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
“以往合成聚酰亞胺相關(guān)材料時，使用的是有機溶劑。如果用到碳納米管，一般只會添加1%～2%，否則材料會變得特別脆，導(dǎo)致韌性很差。”寧波材料所研究員閻敬靈補充道，“我們使用的是水溶液，不僅環(huán)境友好，碳納米管還可以添加得非常多。比如我們在論文中提到，當(dāng)體系中碳納米管的質(zhì)量百分比為66.7%時，制備出的材料韌性和回彈性最佳。”
這樣的結(jié)構(gòu)也賦予了材料獨特的性能。復(fù)合氣凝膠在經(jīng)歷500次壓縮循環(huán)后，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性仍保持在98.2%以上。同時，結(jié)合多級孔結(jié)構(gòu)能顯著增強電磁波反射特性，材料不僅室溫下可實現(xiàn)電磁屏蔽效能，并且在350℃高溫下仍能保持電磁屏蔽效能。
用“老伙計”做出新成果
成本是能否應(yīng)用的一大重要元素。“我們最開始的想法就是在常規(guī)的儀器設(shè)備上做一些有意思的工作?！标惡Ｃ鹘榻B，實驗中用到的不少設(shè)備都是“老伙計”了。
令人驚喜的是，他們利用常規(guī)的冷凍干燥設(shè)備，發(fā)現(xiàn)了一個全新現(xiàn)象。在合成材料時，需要把前驅(qū)體放置在冷源上。團隊采用的是單一冷源，這也是工業(yè)常用的。一般認(rèn)為，和冷源接觸的那一面溫度最低，會先結(jié)冰?！拔覀冞€發(fā)現(xiàn)其他5個面冰晶也會生長，只是每個面的生長速率存在差異?！标惡Ｃ髡f。
最終，團隊驗證了“幾個表面均向內(nèi)結(jié)晶”這個結(jié)論，而這也是該聚酰亞胺材料呈現(xiàn)出中心輻射結(jié)構(gòu)的緣由。
聚酰亞胺被譽為高分子材料金字塔頂端材料，因綜合性能優(yōu)異、價格高昂被稱為“塑料黃金”。
“可以說，沒有聚酰亞胺就沒有今天的微電子技術(shù)，包括光刻機、芯片封裝、手機等，都離不開聚酰亞胺?！遍惥挫`表示，聚酰亞胺種類繁多，目前已商品化的就有上百種，廣泛應(yīng)用于人們的日常生活以及高端儀器設(shè)備、航空航天裝備中。
但這種常見材料卻沒那么容易制備，且部分高端聚酰亞胺仍面臨許多問題。閻敬靈介紹，目前聚酰亞胺的研究工作主要包括三個部分，即關(guān)鍵材料國產(chǎn)化替代、提升既有聚酰亞胺材料性能、創(chuàng)新合成方法及工藝，以滿足新興產(chǎn)業(yè)需求。
截至目前，該團隊的研究成果已先后實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，一項熱固性聚酰亞胺樹脂技術(shù)和多項專利已在幾年前成功轉(zhuǎn)讓。“我們幫助合作企業(yè)建立了一套生產(chǎn)線，年銷售額已經(jīng)達到幾千萬元?！遍惥挫`補充道。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1002/adma.202513423
（原文發(fā)布于《中國科學(xué)報》 (2025-12-24 第3版 領(lǐng)域)）
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