随着纳米科技水平的不断提高,越来越多具有特殊优异性能的纳米材料被合成出来。而材料的性能是由材料的组成和结构决定的,因此对材料结构进行一定程度的调控可以进一步拓宽纳米材料的应用领域。三维有序多孔材料是指具有孔道大小均匀、孔结构在三维空间排列有序的多孔材料,因其结构的有序性极大地提高了材料的机械性能、传感性能和吸附性能等。取向冷冻技术作为一种简单、高效、环保、可控的材料结构调控方法,其制备的有序多孔结构材料已经在生物组织工程、环境能源、传感等领域中被广泛探究和使用。本论文基于取向冷冻技术制备有序多孔复合材料,探究了纵向通道和径向多孔通道两种不同结构的材料的性能及应用。所获得研究成果如下:(1)采用天然高分子壳聚糖为原料,石墨烯作为提供力学性能和导电性能的添加剂,利用取向冷冻技术将壳聚糖和石墨烯组装成具有纵向有序通道的气凝胶并作为神经支架。该支架具有多种优良的性能,如宏观形状尺寸可调;多通道结构,模拟了正常人周围神经的定向微管结构;高孔隙率(82～90%);轻质(72～85 mg/cm3)、高强(60%应变下应力超过100 kPa);高弹性,在干燥或湿环境中60%应变下多次压缩,均能在数秒内弹回,形状基本保持不变,且在压缩过程中泊松比基本维持在0;良好的生物相容性(细胞存活率大于90%)和生物可降解性(一个月降解约10%),并能引导细胞定向排列、轴突定向延伸等。因此,壳聚糖-石墨烯气凝胶可以作为导电支架,在一定程度上刺激细胞,分析钙离子的活动性能,促进神经信号的传递。(2)采用丙烯酰胺为原料,发展了一种三维径向有序多孔气凝胶的制备方法。利用取向冷冻技术引导冰晶径向生长,在紫外光照的条件下进行低温聚合交联,再冷冻干燥获得聚丙烯酰胺(PAAM)径向多孔气凝胶。所制备的气凝胶具有独特的分层结构,径向排列的通道、微米孔、皱褶的内表面和分子筛,不仅提供了足够的机械支撑性能,而且还具有良好的毛细管上升性能。实现了纯水、污水、海水和砂质地下水等多种形式的水输送。此外,在PAAM径向气凝胶的顶端修饰一层具有光热性能的多壁碳纳米管涂层,构建双层PAAM径向气凝胶,可以进一步将运输到材料顶部的水分通过太阳能的蒸发作用进行收集,对水资源的可再生利用有着潜在的应用价值。