近日，我院先进功能材料与器件研究中心张思钊课题组在航空航天气凝胶热防护材料抵御极端环境方面取得最新进展。研究揭示了气凝胶网络骨架原位包覆生长机制，通过聚焦离子束切割微纳骨架，明晰了网络骨架构建机理，并实现聚酰亚胺气凝胶在极端环境下的耐高温和抗深冷。
相关研究成果以“High-Temperature Resistant Polyimide Aerogels with Extreme Condition Tolerance Constructed by in Situ Skeleton Encapsulation Growth”为题，在线发表于国际材料领域期刊Advanced Functional Materials（影响因子：18.5）。我校为论文第一完成单位，我院2022级硕士研究生刘淳为论文第一作者，张思钊副教授为论文通讯作者。研究得到国家重点研发计划和江西省重点研发计划等项目的资助。
图1 网络骨架包覆生长机制及耐极端环境特性
聚酰亚胺气凝胶（PIA）具有优异的隔热性能、热稳定性和力学强度等特点，是航空航天高性能热防护材料领域的优选材料。目前，PIA在高温气氛下的尺寸稳定性较差，导致宏观特性的退化，严重限制了PIA在极端环境下的潜在应用。因此，研制一种兼具耐高温和极端环境耐受性能的PIA对于支撑我国新型飞行器热防护材料具有重要意义。
图2 隔热机理及耐高温性能
本研究提出了一种原位网络骨架包覆生长策略，在高性能聚酰亚胺气凝胶的基础上，利用有机硅烷前驱体水解形成的聚甲基硅氧烷对气凝胶骨架进行微纳尺度包覆形成二元有机-无机气凝胶网络骨架。单面加热和耐高温性能考核实验结果表明聚酰亚胺气凝胶在300 ℃下的温差可达201.7 ℃，具有优异的隔热性能。此外，聚酰亚胺气凝胶在300 ℃考核仍然具有优异的尺寸稳定性，线性收缩率仅为1.11%，相较于纯的聚酰亚胺气凝胶，收缩率下降了98.04%，相较于传统的聚酰亚胺气凝胶（200 ℃考核会出现明显的热致收缩），本研究所得气凝胶的使用温度上限提升了100 ℃。在高低温交变循环条件下，所制聚酰亚胺气凝胶即使经过1000次循环后，气凝胶的线性收缩率仅为0.70%。在极端高低温循环条件下循环10次后，气凝胶的线性收缩率也仅为1.09%。综上，本研究构筑的聚酰亚胺气凝胶可望满足航空航天极端环境下对高性能热防护材料的迫切需求。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202500881
文、图/刘淳
