《先进功能发泡材料的绿色制备》聚焦以超临界二氧化碳(scCO2 )物理发泡技术制备的聚合物泡沫在功能化应用领域的前沿研究。全书按照“基础理论-结构设计-性能调控-应用开发”的知识体系编排，第1章详细阐释了scCO2 发泡技术的原理、分类及核心优势。第2～9章依次探讨了聚合物泡沫材料在八个领域的创新应用，包括：能量吸收与缓冲、高效隔热、声学降噪、超疏水界面、电磁干扰屏蔽、组织工程支架、柔性压力传感以及摩擦纳米发电，各章节均从作用机理、关键影响因素、结构优化策略、先进制备工艺及典型应用案例等维度展开深度剖析。
《先进功能发泡材料的绿色制备》适合材料科学、化学工程等领域的科研人员及工程技术人员参考，也可作为高等院校相关专业高年级本科生和研究生的拓展学习读物。

第1章 绪论001
1.1 聚合物泡沫材料综述002
1.2 聚合物发泡方法002
1.2.1 机械发泡法003
1.2.2 物理发泡法003
1.2.3 化学发泡法004
1.3 SCF 微孔发泡基本原理004
1.3.1 均相体系的形成005
1.3.2 泡孔成核006
1.3.3 泡孔生长009
1.3.4 泡孔合并和破裂010
1.3.5 固化定型013
1.4 发泡过程中泡孔结构的影响因素014
1.4.1 聚合物性能对泡孔结构的影响014
1.4.2 发泡工艺参数的影响016
1.5 SCF 微孔发泡方法018
1.5.1 间歇发泡法018
1.5.2 连续挤出发泡法019
1.5.3 注射发泡法019
1.6 功能化聚合物泡沫的先进应用021
参考文献022

第2章 聚合物吸能泡沫027
2.1 吸能泡沫概述028
2.1.1 聚合物吸能泡沫的分类028
2.1.2 聚合物泡沫力学性能的影响因素028
2.2 聚合物泡沫的能量吸收机理031
2.2.1 开孔泡沫模型032
2.2.2 闭孔泡沫模型034
2.2.3 其他特殊结构模型035
2.2.4 聚合物泡沫的能量耗散机制038
2.2.5 基体材料的影响039
2.3 吸能泡沫的测试与表征040
2.3.1 形貌表征040
2.3.2 准静态压缩试验042
2.3.3 动态压缩试验043
2.3.4 回弹性能和滞后测试045
2.4 吸能泡沫制备与性能研究进展046
2.4.1 开孔泡沫的制备与性能046
2.4.2 闭孔泡沫的制备与性能046
2.4.3 复合泡沫的制备与性能049
2.4.4 特殊结构泡沫的制备与性能051
2.5 聚合物吸能泡沫的应用054
2.5.1 运动领域054
2.5.2 家庭和家具领域055
2.5.3 交通和航空航天领域057
2.5.4 安全和军事领域058
参考文献058

第3章 隔热聚合物泡沫062
3.1 隔热材料概述063
3.2 隔热原理064
3.2.1 热对流065
3.2.2 气固相传导065
3.2.3 热辐射067
3.3 隔热泡沫性能表征及影响因素071
3.3.1 多孔材料的性能参数与测试方法071
3.3.2 热导率的影响因素072
3.4 聚合物隔热泡沫基体与结构的优化076
3.4.1 复合聚合物基体076
3.4.2 双峰泡孔发泡材料077
3.4.3 闭孔结构发泡材料080
3.4.4 蜂窝结构发泡材料081
3.4.5 微/纳米孔结构发泡材料081
3.5 其他隔热聚合物泡沫085
3.5.1 微孔聚酰亚胺(PI)泡沫085
3.5.2 酚醛泡沫冷水管道085
3.5.3 喷涂聚氨酯泡沫086
3.5.4 隔热气凝胶086
参考文献089

第4章 吸声聚合物泡沫092
4.1 吸声降噪泡沫概述093
4.2 泡沫塑料的吸声原理093
4.2.1 声波的传播和吸收093
4.2.2 吸声原理及模型094
4.3 吸声性能表征及影响因素098
4.3.1 吸声性能表征098
4.3.2 影响吸声性能的因素100
4.4 吸声泡沫材料104
4.4.1 吸声陶瓷104
4.4.2 吸声金属泡沫105
4.4.3 吸声聚合物泡沫107
4.4.4 吸声聚合物复合泡沫108
4.5 吸声聚合物泡沫的制备方法110
4.5.1 化学发泡110
4.5.2 超临界CO2 发泡112
4.5.3 泡沫骨架涂覆115
4.5.4 相分离和粒子滤沥116
参考文献119

第5章 超疏水聚合物泡沫122
5.1 超疏水聚合物泡沫概述123
5.1.1 自然界的超疏水性123
5.1.2 超疏水性的影响因素123
5.1.3 层级结构表面的构筑方法125
5.2 超疏水界面润湿理论130
5.2.1 固体表面润湿性130
5.2.2 粗糙表面的润湿行为130
5.2.3 Cassie-Baxter模型131
5.2.4 三维多孔泡沫的超疏水模型132
5.3 超疏水泡沫的性能表征134
5.3.1 微观结构表征134
5.3.2 表面化学和润湿性表征135
5.3.3 选择性油分离性能136
5.3.4 超疏水泡沫的吸附性能136
5.4 超疏水泡沫制备技术136
5.4.1 纳米颗粒/多孔材料复合物136
5.4.2 相分离法制备超疏水泡沫137
5.4.3 超疏水气凝胶139
5.4.4 静电纺丝法制备超疏水纤维泡沫139
5.4.5 超临界CO2 发泡制备超疏水泡沫141
5.5 超疏水聚合物泡沫的前沿应用144
5.5.1 自清洁和防污144
5.5.2 油水分离和吸油146
5.5.3 与其他功能的集成147
参考文献151

第6章 电磁屏蔽聚合物泡沫155
6.1 电磁污染与电磁干扰屏蔽156
6.1.1 电磁辐射的原因及危害156
6.1.2 电磁干扰屏蔽机制156
6.1.3 多孔材料的电磁干扰屏蔽机理157
6.2 传统电磁干扰屏蔽材料和导电聚合物泡沫158
6.2.1 传统电磁干扰屏蔽材料158
6.2.2 导电聚合物泡沫158
6.3 电磁屏蔽聚合物泡沫的性能表征159
6.4 电磁屏蔽聚合物泡沫的制备160
6.4.1 电磁屏蔽聚合物泡沫的组成160
6.4.2 影响聚合物泡沫电磁屏蔽性能的因素162
6.4.3 导电聚合物泡沫的制备方法165
6.4.4 特殊微结构的导电聚合物泡沫168
6.5 电磁屏蔽多孔复合材料研究进展175
6.5.1 电磁屏蔽气凝胶175
6.5.2 电磁屏蔽纤维网络176
6.5.3 金属基电磁屏蔽泡沫材料177
6.5.4 表面涂覆改性电磁屏蔽泡沫178
参考文献179

第7章 组织工程用聚合物多孔支架183
7.1 组织工程概述184
7.1.1 组织工程的基本要素184
7.1.2 组织工程支架材料185
7.2 组织工程用多孔支架185
7.2.1 组织工程的典型过程185
7.2.2 理想组织工程支架的要求187
7.3 组织工程支架的常用表征方法188
7.3.1 表面性能测试188
7.3.2 力学性能试验188
7.3.3 生物活性测试189
7.4 气体发泡法制备组织工程支架189
7.4.1 化学发泡法190
7.4.2 物理发泡法191
7.5 支架在组织修复中的应用195
7.5.1 骨组织工程支架196
7.5.2 软组织修复支架196
7.5.3 血管组织工程支架199
7.5.4 神经组织工程支架202
参考文献204

第8章 聚合物泡沫基柔性传感器208
8.1 柔性传感器概述209
8.1.1 基体材料209
8.1.2 活性导电材料210
8.2 压阻式压力传感器的机理212
8.2.1 柔性压阻式压力传感器的传感机理212
8.2.2 导电泡沫的传感机理214
8.2.3 导电聚合物泡沫压阻式压力传感器性能影响因素215
8.3 压阻式压力传感器的性能与表征217
8.3.1 灵敏度217
8.3.2 响应时间与恢复时间218
8.3.3 滞后219
8.3.4 线性度220
8.3.5 应变响应范围220
8.3.6 可靠性与稳定性220
8.4 多孔泡沫基柔性传感器的制备221
8.4.1 物理发泡法221
8.4.2 化学发泡法222
8.4.3 冷冻干燥法223
8.4.4 商用泡沫涂覆法224
8.4.5 骨架蚀刻法224
8.4.6 模板牺牲法226
8.5 柔性压阻式压力传感器的应用227
8.5.1 人体运动监测227
8.5.2 触觉感知227
8.5.3 温度监测230
参考文献231

第9章 聚合物泡沫基摩擦纳米发电机235
9.1 摩擦纳米发电机概述236
9.1.1 微纳能源收集器件的发展背景236
9.1.2 摩擦纳米发电机及其关键因素237
9.1.3 基于多孔材料的摩擦纳米发电机237
9.2 摩擦纳米发电机的基本原理238
9.2.1 电荷和电流产生机制238
9.2.2 摩擦纳米发电机的工作模式与原理239
9.2.3 多孔泡沫材料的摩擦纳米发电机制242
9.3 聚合物泡沫基TENG 的性能与表征244
9.3.1 聚合物泡沫基TENG的性能影响因素244
9.3.2 TENG的摩擦层材料表征245
9.3.3 TENG器件的性能评价标准246
9.4 用于TENG 的聚合物泡沫摩擦层制备方法248
9.4.1 超临界CO2 发泡248
9.4.2 化学发泡250
9.4.3 热诱导相分离与冷冻干燥251
9.4.4 其他多孔薄膜制备方法254
9.5 摩擦纳米发电机的前沿应用255
9.5.1 微/纳能量收集255
9.5.2 蓝色能源收集257
9.5.3 自供电传感器257
9.5.4 高压电源应用259
参考文献260

在聚合物材料中引入不同尺寸与形态的孔隙结构，就可以赋予聚合物泡沫诸多不同的功能化特性。随着材料科学与材料成型技术的发展，功能化聚合物泡沫材料作为新一代多孔功能材料的代表，正在经历从传统结构材料向智能多功能材料的革命性转变。通过精确调控泡孔形貌(如开孔/闭孔结构、孔径分布、孔隙率)和引入功能组分(如纳米填料、导电聚合物、生物活性物质)，这类材料可被赋予吸能缓冲、吸声隔热、电磁屏蔽、油水分离、生物活性等特殊功能特性。聚合物泡沫内部的三维多孔结构不仅提供了巨大的比表面积和丰富的界面效应，更为多物理场耦合作用提供了理想载体，使其在能源、环境、生物医疗等交叉学科领域展现出独特优势。
目前用于制备聚合物泡沫材料的方法包括：相分离法、冷冻干燥、致孔剂滤沥法、超临界干燥、3D打印、物理发泡法、化学发泡法、静电纺丝法等。在这些方法中，采用超临界CO2(scCO2)作为物理发泡剂的scCO2 发泡技术因其绿色环保、工艺可控等特点，已成为规模化制备高性能聚合物泡沫的首选方法。该技术利用scCO2 兼具气体扩散性和液体溶解度的独特性质，可实现绝大多数聚合物材料的发泡，能够在相对温和条件下实现泡孔结构、密度和形态的精准调控。然而，目前scCO2 发泡技术多应用于轻量化填充材料、吸能鞋材等常规领域，其在前沿功能化领域应用不多。
作者团队长期从事聚合物三维多孔材料的制备、结构调控与功能化应用领域研究。尤其针对scCO2 发泡聚合物泡沫的工艺创新与结构、性能调控开展了大量研究工作，致力于实现具有特定结构的聚合物及聚合物复合泡沫材料的精确制备，拓展scCO2 发泡在功能化泡沫制备方面的应用。本书中作者团队基于其在功能化聚合物泡沫方面的积累，针对不同前沿应用领域重点从四个维度进行展开：首先，系统介绍功能性多孔聚合物泡沫的功能化背景；其次，阐释其特殊功能实现的基本原理；再次，深入剖析目前该类功能化泡沫材料的制备工艺方法；最后，介绍前沿研究进展与应用案例。
本书系统性介绍了超临界CO2 发泡的基本原理并针对聚合物泡沫涉及的八个功能化应用领域进行系统阐释。包括了聚合物泡沫材料在能量吸收、隔热、声学降噪、超疏水特性、电磁屏蔽、组织工程支架、柔性传感器、摩擦纳米发电领域的创新应用。第1章详解scCO2发泡技术的分类、原理及泡孔微观结构的调控方法与调控机理；后续各章分别深入不同应用领域——第2章探究吸能泡沫的作用机理、结构影响、制备工艺及工程应用；第3章介绍隔热泡沫的隔热机制、结构优化策略与前沿研究；第4章揭示吸声泡沫的理论模型、关键影响因素及先进制备技术；第5章阐述超疏水泡沫的润湿理论、性能调控方法及其在自清洁/油污吸附领域的应用；第6章剖析电磁屏蔽复合泡沫的作用机制、材料体系设计与工艺创新；第7章构建组织工程支架的生物相容性要求、可降解聚合物选择及三维多孔支架制备体系；第8章阐释柔性压阻传感泡沫的工作原理、敏感度调控因素及器件集成方案；第9章创新提出基于聚合物泡沫的摩擦纳米发电机(TENG)在能量转换领域的结构设计与性能优化路径。
本书根据作者团队多年研究工作积累与相关文献的整理集合而成，在泡沫材料的先进制备方法、功能化应用的理论深度、材料结构与性能的调控方面均进行探讨，尚有许多不足之处望读者见谅。虽然如此，我依然期待本书能在绿色发泡技术与前沿应用需求之间架设桥梁，使读者不仅能系统掌握泡沫材料研发的要义，而且能获得提升材料性能、拓展应用范围的有用知识。

米皓阳，经鑫
2025 年6 月