北化汪曉東教授團(tuán)隊(duì) Adv. Sci.：三明治結(jié)構(gòu)的氟化聚酰亞胺氣凝膠/石蠟相變復(fù)合材料用于同時(shí)實(shí)現(xiàn)梯度熱防護(hù)和透波性能
近日，北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 汪曉東教授/劉歡副教授團(tuán)隊(duì)在《Advanced Science》期刊在線發(fā)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(hù)和電磁波透過傳輸同步功能應(yīng)用的先進(jìn)功能材料需求日益增加，為了滿足這一特殊應(yīng)用要求，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型的聚酰亞胺（PI）氣凝膠基三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。這種復(fù)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(fù)合材料作為上層。下層具有獨(dú)特的單向多孔結(jié)構(gòu)和超低介電常數(shù)1.04。上層所負(fù)載石蠟的潛熱容高達(dá)242.7 J g-1，具有動態(tài)溫度調(diào)節(jié)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(fā)的三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料不僅可以為熱物體提供長時(shí)間的梯度熱保護(hù)，而且還具有優(yōu)異的透波能力，可以在兩個電磁屏蔽電子設(shè)備之間建立通訊。基于FPI氣凝膠及其復(fù)合材料與PCM的創(chuàng)新分層集成，本研究為開發(fā)先進(jìn)功能材料及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的見解，這些結(jié)構(gòu)獨(dú)特設(shè)計(jì)與熱管理和電磁波傳輸是同時(shí)應(yīng)用，在飛機(jī)、航天器、雷達(dá)系統(tǒng)和衛(wèi)星通信方面具有巨大的應(yīng)用潛力。
圖1 (a) 三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖及特點(diǎn)，(b) FPI氣凝膠的反應(yīng)機(jī)理, (c)三明治結(jié)構(gòu)相變復(fù)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(shù)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(shù)和損耗正切值。
圖3 (a) 三明治結(jié)構(gòu)相變復(fù)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(fù)合材料的SEM圖；(d) 相變復(fù)合材料的相變焓；(e) 與文獻(xiàn)報(bào)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(fù)合材料的紅外熱像圖及相應(yīng)的溫度-時(shí)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(fù)合材料示意圖；加熱180℃時(shí)OT-46基FPI氣凝膠、OT-46/OT-46@N-22和OT-46@N-22復(fù)合材料的 (e) 紅外熱像圖和 (f) 溫度-時(shí)間曲線。自然冷卻過程中的 (g) 紅外熱像圖和 (h) 溫度-時(shí)間曲線。加熱180℃的OT-46/OT-46@N-22在側(cè)面和表面 (i) 溫度分布及j)溫度-時(shí)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(shí)間曲線。
圖5 (a) OT-46/OT-46@N-22復(fù)合材料通過藍(lán)牙連接手機(jī)與可穿戴智能手環(huán)進(jìn)行電磁波傳輸實(shí)驗(yàn)的數(shù)字照片；(b) 夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的熱防護(hù)和波透射機(jī)理示意圖。
北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)基金和中國科學(xué)院西部青年學(xué)者基金的支持。
在過于的2024年中，汪曉東團(tuán)隊(duì)在相變材料多功能化設(shè)計(jì)制備及多目標(biāo)應(yīng)用研究領(lǐng)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(jié)構(gòu)相變復(fù)合材料在高溫長時(shí)間紅外熱隱身及熱調(diào)控中的應(yīng)用成果發(fā)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(fā)器在海水淡化中的應(yīng)用成果發(fā)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(qū)動鹽湖水淡化和銫離子同步收集的應(yīng)用成果發(fā)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(yīng)用成果發(fā)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(lǐng)域推廣應(yīng)用開發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)和開發(fā)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
