于荣海:集自清洁、隔热、电磁波吸收于一身的有机-无机杂化气凝胶

shadan

 吸波材料通过将电磁能转换为热能，可有效解决电磁辐射和污染问题。当前吸波材料的研究集中于微波吸收性能的改进。然而，随着社会发展，吸波材料将被应用到更加复杂的环境中，集高效电磁波吸收和多种功能化于一身的新型吸波材料将成为未来的研究发展方向。

  近期，北京航空航天大学材料学院刘晓芳副教授、于荣海教授团队制备出集自清洁、隔热、电磁波吸收于一身的有机-无机杂化气凝胶。该气凝胶具有多级孔蜂窝状结构，碳纳米管（CNT）缠绕在聚丙烯腈（PAN）纤维骨架上，形成三维导电网络；Fe3O4纳米粒子均匀负载于PAN、CNT上，而苯并噁嗪单体（BAF-a）则原位聚合在PAN、CNT表面形成聚苯并噁嗪（PBZ）膜，不仅降低了材料的表面能，还充当粘结剂以强化气凝胶整体结构。

气凝胶

图1. 气凝胶的制备流程及形貌表征

  气凝胶蜂窝结构的微米级粗糙度和Fe3O4粒子造成的纳米级粗糙度可有效减少水-固接触面积，再加上低表面能PBZ膜的覆盖，使得材料展现出良好的疏水性（水接触角>130°），能够实现自清洁作用。由于气凝胶中填充大量空气而固相比例较少，因此热传导率低，而气孔的随机分布又显著减少了辐射传热，由此导致气凝胶具备可与商用材料相媲美的隔热性能，并能够实现优异的红外隐身功能。同时，气凝胶的疏水性避免了环境中水份侵入导致的隔热性能下降，使材料能够应用于苛刻的环境中。与同类吸波材料（CNT-磁性粒子复合材料）相比，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，具备强吸收（反射损耗–59.85 dB）、轻质量、薄厚度（1.5mm）的优异综合性能。理论分析表明，电磁波在气凝胶中的衰减来自CNT导电网络中的电导损耗、多相异质界面产生的界面极化损耗，以及Fe3O4磁性粒子形成的磁损耗的共同作用。而气凝胶的多孔结构则大大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。该多功能有机-无机杂化气凝胶的设计理念和制备方法可为新型先进吸波材料的发展提供新的启发和思路。

  以上研究成果发表于Advanced Functional Materials（2018, 1807624；DOI: 10.1002/adfm.201807624）。论文的第一作者为北京航空航天大学材料学院博士生李亚，通讯作者为刘晓芳副教授，共同通讯作者为于荣海教授。

  论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201807624