多孔碳材料是一种具有连续孔结构的碳基材料，它兼具了碳材料和多孔材料的特点，具有质轻、孔隙率高、比表面积大、保温隔热、导电等性能，并且轻质多孔碳材料的工程性应用近些年来越来越受到关注。目前已经广泛报道的多孔碳材料有生物质源多孔碳材料、石墨烯/碳纳米管基纳米碳泡沫或气凝胶材料、以常规聚合物泡沫为碳源经过高温热解碳化得到的碳泡沫材料等。但目前这些多孔碳材料的工程性应用依然面临着轻质、高力学性能、良好的可加工性能和形貌尺寸可调节性无法兼顾的问题。本研究利用热固性聚酰亚胺泡沫为碳源，并基于热固性聚酰亚胺泡沫材料的高力学性能、高热尺寸稳定性、化学结构和微观形貌可调节性，制备出一种高性能热固性聚酰亚胺源碳泡沫材料，并对其碳化机制、微观结构与性能之间的构效关系进行了研究。
图1. 聚酰亚胺泡沫高温碳化过程及其形貌变化
本研究以3,3’,4,4’-二苯甲酮四羧酸二酐，4,4’-二氨基二苯醚为反应单体，以5-降冰片烯-2,3-二甲酸酐作为交联剂和发泡剂，通过前驱体粉末发泡法，在320℃条件下发泡制得热固性聚酰亚胺泡沫，所制备的泡沫的密度仅为0.092 g·cm-3。而后将泡沫置于高温管式炉中进行热解碳化，碳化温度分别为600℃, 900℃, 1200℃和1500℃。研究发现，经过1500℃碳化1小时之后，泡沫的体积收缩率为46%，并且完好的保存了泡沫体的三维多孔结构，表现出良好的热尺寸稳定性。此外，经过1200℃碳化之后所得碳泡沫的压缩强度和模量分别为0.27 MPa和0.31 MPa，力学性能远超同密度（0.091 g·cm-3）的聚合物源碳泡沫和碳气凝胶材料。此外，所制备的碳泡沫材料表现出优异的电磁屏蔽性能，其中CF-1200在X波段的电磁屏蔽效能达到了54 dB, 而其厚度仅有2 mm，比效能值可以达到593 dB·cm3/g，如果增加材料的厚度到4 mm，其电磁屏蔽效能值可达到65 dB以上，比效能值达到703dB·cm3/g。并且材料的电磁屏蔽为吸收型为主（SEA/SET>80%），这主要得益于经过高温碳化之后，碳泡沫的开孔率逐渐增大，此有利于电磁波的入射，并在碳泡沫材料内部发生多重反射和吸收。此项工作为高性能碳泡沫材料的设计开发提供了研究基础，所得的高性能碳泡沫材料在电磁屏蔽、吸波隐身、结构功能性复合材料领域具有良好的应用潜力。
图2. 热固性聚酰亚胺泡沫材料随温度的结构演变
图3. 碳泡沫材料的电磁屏蔽效能
研究成果以“Lightweight and stiff carbon foams derived from rigid thermosetting polyimide foam with superior electromagnetic interference shielding performance”为题发表在碳材料领域的权威期刊Carbon上。西安工程大学为该论文的第一完成单位，西安工程大学的贺辛亥教授与西北工业大学的张广成教授为本论文的共同通讯作者。
论文信息及链接：
Jianwei Li a, Yuanqing Ding a, Ni Yu b, Qiang Gao b, Xun Fan b, Xuan Wei b, Guangcheng Zhang b*, Zhonglei Ma b, Xinhai He a*. Lightweight and stiff carbon foams derived from rigid thermosetting polyimide foam with superior electromagnetic interference shielding performance. Carbon, 2019, doi.org/10.1016/j.carbon.2019.11.075. (2019 IF=7.46) .
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622319312084
撰稿人：李建伟 审核人：张茂林
