Anisotropic polyimide (PI)/graphene composite aerogels were fabricated by unidirectional freezing. A poly(amic acid) (PAA) ammonium salt/graphene dispersion was first synthesized by mixing together PAA, H2O, triethylamine (TEA), and graphene and then was successively subjected to one-way freezing, freeze-drying, and thermal imidization. The one-way growth of ice crystals endowed the composite aerogels with highly arranged tubular pores. The PI/graphene composite aerogels possessed anisotropic conductivity, electromagnetic interference (EMI) shielding, heat transfer, and compression performance. Moreover, the composite aerogels with low density (0.076 g·cm-3) exhibited high EMI shielding effectiveness (SE) of 26.1-28.8 dB, and its specific EMI SE value achieved 1373-1518 dB·cm2·g-1 when the graphene content was 13 wt %. The main electromagnetic interference shielding mechanism of these composite aerogels was microwave absorption. The composite aerogels had excellent thermal stability, and their 5% weight loss temperature was higher than 546 °C in nitrogen. This research provided an easy and environmentally friendly approach to prepare lightweight and anisotropic PI-based composite aerogels.

Polymer-based shielding materials have garnered attention due to their lightweightness, ease of fabrication, and tailorable performance. However, they tend to creep and deform when the materials are exposed to external heat, which may cause a catastrophic disaster due to mechanical failure. In this study, a hybrid loading of graphite (Gt) and boron nitride (BN) fillers was used to improve the thermal dissipation, neutron shielding, and tribological properties of ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE), which demonstrate potential applications in nuclear sectors among others. The results revealed that the thermal conductivity of UHMWPE/BN 30 wt %/Gt 40 wt % composite (i.e., BN30Gt40) reached as high as 8.43 W/mK, which was 295% higher than UHMWPE/BN 30 wt %, 201% higher than UHMWPE/Gt 40 wt %, and 1700% higher than pure UHMWPE, respectively. Simulation analysis using Geant4 suggested that UHMWPE/BN/Gt composites exhibited excellent neutron-shielding performance due to the presence of abundant hydrogen and boron elements. In addition, the composites demonstrated excellent friction and wear performance due to the combined effects of constructing transfer film on the surface of the friction pair and timely removal of frictional heat that was generated at the sliding interface.

In order to enhance the ablation resistance in prolonged high-temperature conditions and concurrently elevate the mechanical property and heat resistance of epoxy resins, a "rigid-flexible" cocross-linked epoxy resin was synthesized through the copolymerization of silicone and bismaleimide. With the addition of 20 phr of bismaleimide (B7D3) and 50 phr of silicone, EP-B7D3@50P shows excellent ablation resistance and heat resistance due to the rigid bismaleimide and flexible ceramizable silicone network. The glass transition temperature was increased by 16.4 °C compared to epoxy resin. Most significantly, the mass and linear ablation rate dropped by 77.6% and 85.7%, respectively, due to silicone's exceptional carbon-forming capabilities, lower pyrolysis rates, and vapor deposition effects. Furthermore, the rigid bismaleimide cross-linking networks not only improve the modulus but also compensate for the reduction in mechanical properties caused by the silicone. This work provides an advanced approach for the preparation of thermally protective materials with high strength and heat resistance.

Polysiloxanes are widely used in the preparation of ablative-resistant resins due to their tailored reactivity and ceramisable properties. Nevertheless, the mechanical and thermal properties may be negatively impacted by the presence of flexible chain segments and poor compatibility. In this study, the phase interface of silicon between epoxy was improved by a rigid interpenetrating crosslinked network constructing by bismaleimide. The pyrolysis of the silicone was inhibited and the oxidation resistance of the resin was enhanced. Both graphitization and ceramisation of the char layer during ablation are significantly improved. This endows the modified resin with outstanding ablative properties, with mass and linear ablation rates reduced to 0.0666 g/s and 0.0512 mm/s, respectively, which exceed those of some conventional ablative-resistant resins. Remarkably, the thermal and mechanical properties are significantly enhanced benefiting from the rigid crosslinked network and improved phase interfaces. Moreover, the destruction of mechanical properties of composites in high temperature environments caused by organosilicones has been effectively addressed. Bismaleimide/silicone co-modified epoxy resins can be used not only as ablative-resistant coatings, but also for the preparation of fire-resistant carbon fibre composites, providing a novel approach to the production of cost-effective, recyclable structural integrated materials for thermal protection.

Applying suitable sizing agents is effective in improving the interfacial performance of carbon fiber reinforced composites (CFRPs). However, the poor thermal stability of conventional epoxy-based sizing agent limits their application at elevated temperatures for preparing advanced CFRPs. The question could lead to interfacial damage of composites at high temperatures, thus deteriorating their mechanical properties. In this work, diethanolamine (DEA) was selected to modify E51 resin to obtain a high-temperature resistant sizing agent (E51@DEA). The decomposition temperature of E51@DEA was 320 °C, which was 140 °C higher than that of E51. Furthermore, the resultant composites treated by E51@DEA 2 % showed robust interfacial performance (ILSS = 74.32 MPa, IFSS = 100.70 MPa), which was both increased by about 25 % compared to unmodified samples. In addition, the modified fiber could completely retain their interfacial reinforcement after treatment at 300 °C for 4 h. The prepared composites combined excellent thermal and interfacial properties, further expanding the application range of CFRPs.

Microinjection-molding subjects the polymer melt to high cooling and shear rates, which significantly affects the crystallization behavior during solidification. In this work, fast scanning chip calorimetry, conventional differential scanning calorimetry, melt rheology experiments, and polarized light optical microscopy permitted drawing conclusions about the crystallization of polyoxymethylene under such processing conditions. Computer simulations and Cox–Merz experiments predict orientation of molecular segments and shear-induced formation of crystal nuclei in all regions of the component, that is, in both the skin and core. However, as the result of the interplay between the cooling rate/crystallization temperature and the chain relaxation time, the survival of nuclei is restricted to skin-near layers. In contrast to the fast cooling skin, in the slowly cooling core region, the initially oriented structure recovers to the random coil state due to the much shorter relaxation time compared to the crystallization time. The study suggests that structure formation of crystallizable polymers during melt processing, including microinjection molding, largely depends on the (temperature-dependent) ratio between the chain relaxation and chain crystallization time.

Epoxy resin has gained significant attention in aviation equipment, coatings and electronic packaging materials due to its exceptional processability, adhesion and mechanical properties. However, its thermal resistance property and glass transition temperature (Tg) were relatively lower than cyanate resin (CE), polyimides (PI) and phenolic resins (PF), which largely restricts its application range. In this work, we had developed a new structural heat-and-shielding integrated epoxy resin via the design of carboranes-epoxy network. Benefiting from the structure of carborane, the thermal residual weight of the obtained epoxy reached 64.57 %, with a carbon atom protection rate of 45.47 % in air atmosphere at 800 °C, showing better thermal resistance property than most CE, PI and PF. And the Tg of the new epoxy was not observed within the tested temperature range (50–250 °C). Additionally, the introduction of carborane structures enhances the neutron shielding performance of the material (38.46 % enhanced). The reinforcement mechanisms of these above properties are systematically investigated. It's excepted that our work could provide some ideas to prepare structural -functional integrated epoxy and promote the development of carborane related materials.

In this study, lightweight polyimide foam (PIF) with anisotropic pore structure were fabricated by adopting microwave-assisted foaming technique. Afterward, lightweight PIF/PI aerogel/silica aerogel (PIF/PIA/SiA) composite foams with anisotropic hierarchical pore structures was prepared by impregnation and directional freeze-drying method. The directional growth of foam pores and ice crystals endowed PIF/PIA/SiA composite foams with anisotropic skeleton structures and hierarchical porous filling structures, leading to anisotropic mechanical and thermal insulation performances. PIF/PIA/SiA composite foams presented mechanical robustness in vertical direction and mechanical flexibility in horizontal direction due to its unique pore structure. In addition, PIF/PIA/SiA composite foams showed outstanding thermal stability and flame retardancy, suggesting a promising application in the field of high temperature fire protection. The PIF/PIA/SiA composite foams exhibited superior thermal insulation performance with thermal conductivities ranging from 0.0253 to 0.0523 W/(m·K) between 25 and 300 °C. Therefore, a facile strategy was developed to fabricate PIF-based composite foams for mechanical, flame retardancy and thermal insulation applications in high-end engineering fields.

The polymer materials in nuclear facilities are exposed to high temperatures, radiation, and high loads. Their excellent heat resistance, radiation resistance, and shielding properties are important for the safe operation of nuclear facilities. In this study, 1,2-bis(hydroxymethyl)carborane (CBOH) was first synthesized in large quantities through water extraction and then introduced into an epoxy resin cross-linked network. The incorporation of a carborane structure significantly improved the heat resistance of epoxy. Under air atmosphere, the T5% (the temperature at 5 wt % degradation), T10% (the temperature at 10 wt % degradation), and char yield at 800 °C of the materials were 315.67 °C (16.51 °C increased), 326.29 °C (12.96 °C increased), and 33.22% (33.22% increased), respectively. The maximum decomposition temperature of the material increased from 550 to 750 °C, and 7.05 wt % of the carbon constituent was protected after thermal degradation at 800 °C. The glass transition temperature (Tg) of the materials greatly increased up to over 300 °C after introducing the carborane structure into the networks. The radiation resistance of the material was enhanced due to the in situ capture of oxygen radicals by the carborane structure. Moreover, the incorporation of carborane structure also increased the content of H and B in materials, improving their neutron-shielding capability. This work confers multifunctionality to epoxy resin and enhances its various properties, ensuring the safety of epoxy resin in nuclear facilities.