气凝胶是一种低密度、高孔隙率、高比表面积的多孔材料，近年来越来越引起学术界和工业界的兴趣。由于气凝胶的多孔性能，其被广泛用于填充物的基底，例如用来填充相变储能材料和各类液体等。然而气凝胶的空洞被填充满之后，不仅失去了其原有的低密度、低热导率、高比表面积等性能，而且严格意义上也不再是气凝胶。另一方面，剪切增稠液是一种动能吸收材料类型，在抗冲击和弹道领域有广泛的应用。然而，剪切增稠液密度高，流动不均匀，难以形成粘聚结构限制了其使用。如何将剪切增稠液和气凝胶有效融合，实现高吸能效果，同时维持气凝胶的低密度和多孔特性，是一个巨大的挑战。

为此，中科院苏州纳米所胡东梅研究员和王锦研究员等人提出了一种半满填充（Half-full filled, HFF）策略（半瓶水效应），即将功能液体局部填充在气凝胶的空洞中而非完全填满，从而实现在保持其他性能不变或较小变化的同时，制造出一种具有提高能量吸收性能的轻型动能吸收材料。如图1所示，在保持内部结构不变的同时，观察到填充多孔碳纳米管气凝胶(Carbon nanotube aerogel, CNTA)外层的剪切增稠液，证明了半满填充状态的概念。与原始的气凝胶相比，剪切增稠液显著的提高了半满填充气凝胶（Half-full filled aerogel, HFFA）的力学性能（提高348%），而与全填充复合材料相比，HFFA仍然保留其多孔结构、轻质和由气凝胶赋予的其他固有性能。HFFA结构可应用于包含智能传感器或电子元件的运动服装和头盔中，防止严重的冲击和外部电磁信号的干扰。

图1. HFFA的制备示意图、剪切增稠液填充范围表征图、不同质量对比图以及实际应用图

二次气相化学沉积的CNTA的沉积时间越长，碳纳米管直径越大，IG/ID值从2.4下降到1.3，可能表明非晶碳含量的增加。用剪切增稠液增强的气凝胶的IG/ID值对比同一沉积时间的气凝胶是增加的，这表明，剪切增稠液包覆了非晶态碳，并改变了其表面结构。

图2. CNTA以及HFFA的表征

CNTA的动态压缩吸能值随着沉积时间的增加而降低，HFFA随着沉积时间的增加先增加后降低。加入剪切增稠液后相同沉积时间下的气凝胶吸能值均增加， CNTA20/STF的吸能值最大(223 MJ/m3)。CNTA20/STF的冷热冲击后结果变化不大，并且本样品与其他物质相比具有极轻的密度和极高的动态压缩吸能值。

图3. 不同HFFA样品的动态力学性能分析图

沉积时间越长动态压缩后结构越稳定， CNTA10出现大量粘黏的片状碳管结构。CNTA10/STF被剪切增稠液大量淹没， CNTA20/STF和CNTA40/STF出现大量碳管结节和剪切增稠液聚集粘接成片状结构。

图4. 动态压缩后的表征以及动能吸收机理分析图

CNTA沉积时间越长电导率越高，加入剪切增稠液后，同沉积时间下的气凝胶电导率略微下降，因为剪切增稠液绝缘，加入会阻碍导电网络的形成。电磁屏蔽结果和电导率结果变化趋势一样。从CNTA0的49.00dB增长到CNTA40的69.96 dB (40CNTA/STF的EMI SE为69.52 dB，略微下降)。

图5. 电磁屏蔽性能分析图以及电磁屏蔽原理图

实际应用显示，材料包裹的电磁信号测试仪器接收不到信号，表明电磁屏蔽结果良好。以CNTA20/STF为基底的材料对小球落下的动能吸收效果也最好。

图6. 实际电磁屏蔽和动能吸收应用实验

本研究通过半填充策略，制备了具有轻质、高吸能、高电磁屏蔽性能的半满填充气凝胶。相关工作以Half-Full Filled Aerogels with A 348% Increment in Energy Absorption and A Retained High Electromagnetic Shielding Performance为题发表在Advanced Functional Materials上。论文第一作者为中国科学院苏州纳米所与上海理工大学联合培养硕士生孔颖，通讯作者为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所胡东梅研究员和王锦研究员。本研究得到中国科学院青年创新促进会和苏州市科技局支持。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202314947

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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