■本报见习记者 江庆龄

冬日的一天工作结束后，来一顿热气腾腾的火锅，无疑是一大乐事。夹上一片牛肚，在锅里涮上10秒，放入早已调好蘸料的碗里，然后送入口中，爽脆的口感让人越嚼越香。

受到牛肚天然的蜂窝和褶皱结构的启发，中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称宁波材料所）高分子与复合材料实验室芳杂环高分子团队提出了一种多级形貌调控新策略，并开发出具有高电磁屏蔽效能及回弹性的聚酰亚胺/碳纳米管复合气凝胶，进一步拓展了聚酰亚胺材料在高温条件下的应用范围。近日，相关研究成果发表于《先进材料》。

从牛肚获得灵感

“喂喂，我进电梯了，信号不好。”随着电梯门合上，电话那头的声音就会变得断断续续。

其根源是电磁屏蔽。在电梯这一“金属盒子”的隔绝下，手机对外发射的电磁信号被周围金属反射或者吸收，无法传播出去。

听起来，电磁屏蔽令人恼火。但倘若没有它，我们生活的世界会变得一团糟。正如附近房屋装修时的电钻声会干扰音响播放的古典音乐，电子设备运行时，也在向外发射电磁波，碰到附近其他电子设备时，就会互相影响。这时，就需要通过电磁屏蔽技术，把电子设备用无形的“防护罩”保护起来。这样，各类电子设备才能够不受外部电磁“噪声”影响，稳定、正常工作。

然而，在人类足迹向星辰大海延伸的过程中，各种严苛环境对电磁屏蔽技术提出了新的要求。

研究发现，聚酰亚胺具有耐高温、机械强度和柔韧性等特性，能够应对许多极端和苛刻的环境，因此也被称为“解决问题的能手”。作为绝缘体的聚酰亚胺通过与导电填料“合作”，构筑起电磁防护罩。

“电磁屏蔽的原理，简单来说就是让电磁信号在干扰设备前先耗散掉。”宁波材料所副研究员陈海明介绍，相当一部分耗散发生在界面处，倘若材料内部比表面积足够大，就能解决电磁干扰问题。

团队很自然就想到了内部有很多密密麻麻小隔间的牛肚。“我们想做的，就是类似牛肚结构的气凝胶材料。当电磁信号入射材料后，在密密麻麻的小隔间里‘迷路’，经过四处‘碰壁’，能量就以多种形式耗散掉，不会再跑出去干扰电子设备了。”陈海明说道。

同时，研究团队也希望通过改变材料的内在特征，给这层防护罩再加些耐高温的“防护盾”。

最终找到一个“配方”

思路有了，接下来就是把材料做出来。团队采用了冷冻干燥技术制备气凝胶，前驱体则是水溶性聚酰胺酸盐与碳纳米管的水性分散液。

所谓冷冻干燥技术，就是在低温低压条件下，使被冻结物料中的冰或其他冻结溶剂直接升华为气态，从而获得干燥的多孔材料。这也意味着，体系组成直接影响着最后的材料性能，聚酰亚胺分子链结构做成刚性还是柔性、碳纳米管量加多少合适、水溶液中加多少水……都需要仔细考察验证。

在理论设计的基础上，经过大量实验验证，论文第一作者乔士亚在宁波材料所做博士后研究时通过反复优化实验参数，最终找到了一个“配方”。

他们发现，在聚酰胺酸盐溶液中引入高含量碳纳米管可以增加体系黏度，有效抑制冰晶生长，并在升华过程中产生局部爆破力。由此制备出的聚酰亚胺/碳纳米管复合气凝胶具有独特的三级结构，包括宏观的中心辐射形态、微观类牛肚状褶皱结构及纳米尺度的碳纳米管桥联网络。

“以往合成聚酰亚胺相关材料时，使用的是有机溶剂。如果用到碳纳米管，一般只会添加1%～2%，否则材料会变得特别脆，导致韧性很差。”宁波材料所研究员阎敬灵补充道，“我们使用的是水溶液，不仅环境友好，碳纳米管还可以添加得非常多。比如我们在论文中提到，当体系中碳纳米管的质量百分比为66.7%时，制备出的材料韧性和回弹性最佳。”

这样的结构也赋予了材料独特的性能。复合气凝胶在经历500次压缩循环后，结构稳定性仍保持在98.2%以上。同时，结合多级孔结构能显著增强电磁波反射特性，材料不仅室温下可实现电磁屏蔽效能，并且在350℃高温下仍能保持电磁屏蔽效能。

用“老伙计”做出新成果

成本是能否应用的一大重要元素。“我们最开始的想法就是在常规的仪器设备上做一些有意思的工作。”陈海明介绍，实验中用到的不少设备都是“老伙计”了。

令人惊喜的是，他们利用常规的冷冻干燥设备，发现了一个全新现象。在合成材料时，需要把前驱体放置在冷源上。团队采用的是单一冷源，这也是工业常用的。一般认为，和冷源接触的那一面温度最低，会先结冰。“我们还发现其他5个面冰晶也会生长，只是每个面的生长速率存在差异。”陈海明说。

最终，团队验证了“几个表面均向内结晶”这个结论，而这也是该聚酰亚胺材料呈现出中心辐射结构的缘由。

聚酰亚胺被誉为高分子材料金字塔顶端材料，因综合性能优异、价格高昂被称为“塑料黄金”。

“可以说，没有聚酰亚胺就没有今天的微电子技术，包括光刻机、芯片封装、手机等，都离不开聚酰亚胺。”阎敬灵表示，聚酰亚胺种类繁多，目前已商品化的就有上百种，广泛应用于人们的日常生活以及高端仪器设备、航空航天装备中。

但这种常见材料却没那么容易制备，且部分高端聚酰亚胺仍面临许多问题。阎敬灵介绍，目前聚酰亚胺的研究工作主要包括三个部分，即关键材料国产化替代、提升既有聚酰亚胺材料性能、创新合成方法及工艺，以满足新兴产业需求。

截至目前，该团队的研究成果已先后实现产业化，一项热固性聚酰亚胺树脂技术和多项专利已在几年前成功转让。“我们帮助合作企业建立了一套生产线，年销售额已经达到几千万元。”阎敬灵补充道。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1002/adma.202513423