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文章导读
自纳米复合材料问世以来，在航空航天和医疗等诸多应用领域，较大的材料重量一直是其难以突破的应用痛点。而高分子泡沫材料是一种多孔材料，具有轻质、高强度、良好的热稳定性、低介电常数、优越的隔热性能和低成本等突出性能。因此，使用发泡工艺制备轻质量的复合材料，拥有十分广阔的应用前景。
近期，江南大学肖学良教授团队在Journal of Smart and Nano Materials上发表题为“A comparison study on polymeric nanocomposite foams with various carbon nanoparticles: Adjusting radiation time and effect on electrical behavior and microcellular structure”的论文，在微波发泡的基础上对不同填料的泡沫材料进行辐射时间的控制，探究了辐射时间、填料种类、填料含量等因素对泡沫复合材料电学性能以及微孔结构的影响，以期为碳纳米泡沫复合材料的进一步研究和应用提供新的思路。
引用: Mohammad Aghvami-Panah, Ao Wang, Mahyar Panahi-Sarmad, Seyed Armin Seyed Esfahani, Amir Abbas Seraji, Mehrnaz Shahbazi, Reza Ghaffarian, Seifollah Jamalpour & Xueliang Xiao(2022). A comparison study on polymeric nanocomposite foams with various carbon nanoparticles: Adjusting radiation time and effect on electrical behavior and microcellular structure, International Journal of Smart and Nano Materials, DOI: 10.1080/19475411.2022.2107110
文章内容
制备纳米泡沫复合材料的具体工艺如下：第一阶段，将碳纳米管（CNT）、炭黑（CB）、石墨烯（G）作为填料、聚苯乙烯（PS）为基体，以四氢呋喃（THF）为介质，超声分散得到质量分数为0.5 wt%、1.0 wt%碳质微粒在THF中的稳定悬浮液。第二阶段，加入大量水凝固PS复合物，经过滤、干燥、熔融混合等工序最终热压成厚度为1.8mm、直径为25mm圆盘状纳米复合材料。第三阶段，在35℃、170 bar的高压环境中使CO2与纳米复合材料样品充分接触3h，之后将气体熟化后的样品放入微波炉中以600W功率进行辐射，通过控制辐射时间得到不同质量分数、不同发泡时间的PS/CNT、PS/CB、PS/G的泡沫复合材料。
图1是在微波辐射的前提下，含不同填料的纳米泡沫材料密度随时间的变化情况。从图中可以看出，以CNT/PS为基础的复合材料对微波更敏感，并在较短的时间内达到最小密度。PS/CNT1复合材料在60s达到最小密度，微孔结构比较稳定，并保持最大膨胀比。而PS/CNT0.5则需要较高的辐射时间才能达到与PS/CNT1纳米复合材料相同的密度。这是因为0.5wt% PS/CNT复合材料中导电粒子相对较少，材料的在辐射中的吸收热点少，所以需要更长的辐射时间来实现较高的膨胀比。
图2为PS/CNT1泡沫复合材料在不同辐射时间下截面的SEM形貌照片。从图中可以看到，各种纳米复合材料的微孔生长都可以通过控制辐射时间精确调节。得益于碳纳米颗粒在辐射条件下的物理特性，分散良好的纳米颗粒可以引导复合材料样品进行均匀加热，并且在样品的厚度方向上不存在梯度变化。研究人员对PS/G1和PS/CB1复合材料发泡过程中界面形貌进行了表征，综合PS/CNT1的截面情况可以发现：辐射时间可以显著影响泡沫复合材料的微孔结构，并且可以通过控制辐射时间来控制平均微孔大小和微孔密度。
表1表示不同碳纳米颗粒结合的泡沫复合材料的平均微孔尺寸和微孔密度与辐射时间之间的关系。从微孔尺寸和密度来看，PS/CNT1的微孔分布相当均匀，PS/G1次之，PS/CB1则最差。综合表中结果可以认为：填料的分散性和几何形状在泡沫材料微孔均匀性和微孔尺寸分布中起主导作用。
图3（a）为PS泡沫复合材料的直流电导率随填料含量变化的图像，碳纳米材料的加入显著提高了材料的电导率，这是因为添加碳质填料可以集成导电网络，增加了电子转移的机会，赋予了PS泡沫复合材料更佳的电学性能。综合图（b）、（c）、（d）变化情况，PS/CNT的电导率大于PS/G和PS/CB，即CNT在改善材料导线性能方面效果显著。对于不同的PS/CNT泡沫复合材料，图3（b）则说明了电导率和发泡度之间的关系。随着微孔尺寸增加，材料导电率呈上升趋势。但当发泡程度从94%增加到96%时，PS/CNT的电导率降低，研究人员认为发泡产生的微孔破坏由CNT之间的亲和键，导致材料的导电率降低。
表2为导电性能和EMI屏蔽性能与发泡程度的关系，图4则为不同PS泡沫复合材料的电磁屏蔽效能随频率的变化情况，这为构建发泡程度与电学特性的应用模型提供了数据支撑。从以上数据来看，填料类型对PS泡沫复合材料的电学性能影响十分显著，PS泡沫复合材料的导电性越高，其EMI屏蔽性能也就越好。
作者简介
●Most read articles - Inter. J. Smart Nano Mater.
●刘英想教授团队在超声电机领域最新研究进展：仿蚯蚓运动的两自由度超声电机及其光学调焦及调姿应用研究
期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获取英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2021年影响因子为4.0。
IJSNM主要发表国内外智能材料、智能结构力学与设计、多功能纳米材料等领域的最新研究成果和前沿进展，涵盖智能材料与结构、多功能纳米复合材料、4D打印技术、仿生结构、柔性机器人、传感器、结构健康监测等领域，主要刊登具有创新性的综述论文（Review Articles）、研究论文（Research Articles）和短篇报道（Short Communications）等。
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引用数据：
Web of Science (SCIE). EI、Scopus、Inspec等20多个数据库收录
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