在冬天，一天的工作结束后，来一顿热气腾腾的火锅，无疑是一大乐事。夹上一块牛肚，在锅里涮上10秒，放入早已调好的蘸料碗，然后送入口中，爽脆的口感让人越嚼越香。

看着牛肚天然的蜂窝和褶皱结构，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）的科学家们受到了启发。

近日，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（CNT）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。相关研究成果发表于国际知名学术期刊《先进材料》。

聚酰亚胺/碳纳米管超弹气凝胶块体。

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。但事实上，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，在科学研究向极宏观拓展、极微观深入、极端条件迈进、极综合交叉发力，人类足迹向地球四极和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。

聚酰亚胺具有优异的耐高温、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”。在电磁屏蔽领域，作为一种性能优越的绝缘体，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。”团队骨干陈海明副研究员介绍，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。

很自然地，团队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里特征，给这层防护罩再加些耐高温“buff”。

控制变量制备“梦中情材”

思路有了，接下来就是把材料做出来，这就需要从结果倒推，进行“控制变量实验”。

团队采用了各向异性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，经过大量的实验验证，论文第一作者、宁波材料所博士后乔士亚反复优化实验参数，最终找到了一个“配方”，制备得到“梦中情材”。

科研人员正在进行气凝胶弹性及传感性能测试。图片均由宁波材料所提供

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粘度，从而有效抑制冰晶生长，并在升华过程中产生局部爆破力。制备得到的聚酰亚胺/碳纳米管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，一般只会加1%～2%，否则材料会变得特别脆，导致韧性很差。”团队骨干阎敬灵研究员补充道，“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，制备得到的材料韧性和回弹性最佳。”

独特的结构也赋予了材料独特的性能。复合气凝胶展现出优异的抗压性能和压缩负膨胀行为，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，气凝胶在高孔隙率时表现出良好的电导率，结合多级孔结构能显著增强电磁波反射特性，在室温下可实现高达71dB的电磁屏蔽效能，并且在350℃高温下仍能保持相当甚至稍高的电磁屏蔽效能。

用旧设备做出新发现

对于做材料的人来说，最幸福的事情莫过于自己手里的材料能够用起来。

成本是能否应用的一大重要元素。“因此，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。由于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，然后慢慢向上拓展。

但团队在实际中观察到，冰晶并不仅仅是从下往上生长。陈海明解释：“假设是个立方体，我们发现其他5个面冰晶也会生长，只是每个面的生长速率存在差异。”

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

考虑到研究的创新性以及同行交流需求，今年5月，团队把论文投到了《先进材料》。“事实上，这个发现一开始也受到了审稿人的质疑，但后面被我们提供的大量实验数据说服了。”陈海明告诉《中国科学报》。

“必须强调，我们目前的工作仍是基础研究方面的突破，距离实际应用仍比较远。”阎敬灵和陈海明表示，“当然我们也在找可能的应用领域，如用于高温苛刻环境下的电磁屏蔽。”

在“塑料黄金”矿里持续深挖

“此次聚酰亚胺复合气凝胶的工作，算是我们团队基础研究方面的突破。”阎敬灵说道，“除此之外，我们团队还做了很多聚酰亚胺其它方面的工作，对行业发展和国家产业布局，起到了一定的推动作用。”

聚酰亚胺被誉为高分子材料金字塔顶端材料，又因综合性能优异、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、提升已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。

对此，阎敬灵和陈海明所在的高分子与复合材料实验室芳杂环高分子团队，开展了针对性布局。

具体而言，在传统聚酰亚胺树脂、复合材料、薄膜等领域，团队已逐步推进产业化进程，同时持续优化材料性能。其中树脂技术已实现产业化，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。“我们也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了。”阎敬灵补充道。

此外，团队也在宁波材料所园区内搭建了一个小型复合材料生产线。考虑到材料的附加值，一年的产值可达3000万~4000万。

而针对显示、新能源等新兴领域，团队仍在开展基础攻关和应用验证等工作。近几年间，团队也在相关领域取得了一系列突破，如柔性显示用无色透明聚酰亚胺等。

“我们希望能够两条腿走路。一方面，面向国家重大战略需求，紧密结合宁波材料所的战略定位，以抢占科技制高点为己任，主动争取承担国家重大任务，开展工程化应用相关的工作；另一方面，聚焦产学研协同创新，加强前端基础研究，也为团队寻求新发展方向，建立新增长点。”陈海明补充道，“只有不坚定的人，没有不坚定的材料。聚酰亚胺是宝藏，在未来高科技领域会发挥越来越大的作用，还有很多方面需要深入挖掘，我们也会继续深挖下去。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202513423