北航AFM封面：集自清洁、隔热、电磁波吸收于一身的有机-无机杂化气凝胶

李亚

2019-03-08

第一作者：李亚

通讯作者：刘晓芳、于荣海

通讯单位：北京航空航天大学

研究亮点：

1.制备出具有优异吸波性能的气凝胶，与同类复合吸波材料相比，实现了比反射损耗值的突破。

2.该气凝胶同时具备自清洁、隔热、电磁波吸收功能，为新型先进吸波材料的研究设计提供了思路。

吸波材料研究现状及问题

随着科技发展，电磁技术得以广泛应用，这也导致电磁辐射对环境的影响日益加剧。吸波材料因可将电磁能转换为热能，有效解决电磁辐射这一问题而受到关注。未来，吸波材料将会被应用到多个领域、更为复杂的环境中。但目前吸波材料的研究仍集中于吸波性能的改进，忽略了多场景应用的问题。因此，集高效电磁波吸收和多功能化于一身的新型先进吸波材料将成为未来的重要研究发展方向。

本研究成果简介

有鉴于此，北京航空航天大学刘晓芳、于荣海团队制备了具有多级孔蜂窝状结构的气凝胶。该气凝胶集自清洁、隔热以及高效吸波于一身。

图1. 气凝胶的制备流程及形貌表征。

要点1：杂化气凝胶的制备及清洁、隔热性质

碳纳米管（CNT）缠绕在聚丙烯腈（PAN）骨架上，构造了三维导电网络；Fe₃O₄纳米粒子均匀负载与PAN、CNT上；苯并噁嗪单体（BAF-a）原位聚合在PAN、CNT表面，经低温退火处理后形成聚苯并噁嗪（PBZ）膜，在充当粘结剂以强化气凝胶整体结构的同时有效降低了材料的表面能。

在气凝胶蜂窝结构导致的微米级粗糙度和Fe₃O₄粒子负载引起的纳米级粗糙度降低水-固接触面积的同时，低表面能的PBZ膜覆盖于PAN、CNT表面，使材料展现出如下图2所示的良好疏水性（水接触角>130^o），自清洁功能得以实现。

图2. 气凝胶的轻质及疏水性表征。

由于大量的空气填充到气凝胶中，热导率高的固相比例较少；同时随机分布的气孔显著减少了辐射传热，导致气凝胶具备可与商用材料相媲美的隔热性能，为实现红外隐身功能提供了可能（如图3所示）。此外，气凝胶的疏水性有效避免了因环境中的水份侵入造成的隔热性能降低，使材料可应用于苛刻的环境中。

图3. 气凝胶与其他商用隔热材料的隔热性对比。

要点2：杂化气凝胶的吸波性能

如图4所示，该气凝胶具备强吸收（反射损耗–59.85 dB）、薄厚度（1.5 mm）、轻质量的优异综合性能，当电磁波入射时，通过Fe₃O₄磁性粒子形成的磁损耗和CNT导电网络的电导损耗、多相异质界面产生的界面极化损耗的共同作用，电磁波有效衰减。此外，气凝胶的多孔结构增加了电磁波的多重散射路径，进一步增强对电磁波的衰减能力。与目前已报道的CNT-磁性粒子复合吸波材料对比，该气凝胶实现了比反射损耗值（反射损耗/（厚度*填料量））的突破。

图4. 吸波性能及电磁波衰减机制。

小结

该多功能气凝胶的设计和制备为新型先进吸波材料的发展提供了新的启发和思路。

参考文献：

LiY, Liu X, Yu R, et al. Multifunctional Organic–Inorganic Hybrid Aerogel forSelf-Cleaning,Heat-Insulating,and Highly Efficient Microwave Absorbing Material. Advanced Functional Materials,2018.

DOI:10.1002/adfm.201807624

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201807624