聚酰亚胺（PI）具有较高的热稳定性和力学强度、良好的耐化学性以及灵活的结构可设计性，广泛应用于极端环境。然而，在热、电、氧化、化学和机械等多种因素耦合作用下，这些固有优势仍不足以保证材料可靠服役。本综述从服役需求出发，将环境因素的耦合作用及其引发的失效机制与针对性的分子、界面和结构设计相联系，评述了聚酰亚胺材料的最新研究进展。首先，本文讨论了分子化学结构和加工方法如何影响聚酰亚胺纤维、薄膜、泡沫和气凝胶的成形，以及这些材料的分子链堆积、孔结构、界面、传输路径和潜在缺陷。随后，本文围绕各类策略能够阻断的失效过程、带来的性能改善及其涉及的权衡，对分子设计、界面调控和多尺度结构设计进行了比较。本文进一步从服役要求、主导失效过程和功能保持三个方面，评估了聚酰亚胺在热管理、电磁防护、抗原子氧侵蚀、腐蚀防护、电学与电化学系统、传感、阻燃以及潮湿环境中的应用。比较结果表明，单项性能的提升只是影响服役可靠性的一个方面。材料能否可靠服役，还取决于其在多因素耦合作用下能否维持关键界面、结构通路和材料整体的完整性。未来研究应重点关注面向服役寿命的评价、可规模化加工、相互制约功能的空间分隔，以及聚酰亚胺的可持续与可回收设计。

应用于极端环境的聚酰亚胺材料

  从航天器表面的原子氧防护，到高温介电电容器和复杂工况下的电磁防护，聚酰亚胺（PI）凭借良好的耐热性、力学性能和化学稳定性，在极端环境中具有广泛用途。实际服役时，材料往往同时受到高温、电场、氧化或机械载荷等因素的影响。一张聚酰亚胺薄膜在高温下仍能保持形状，漏电流却可能已经上升。一种初始屏蔽性能良好的复合材料，也可能因反复弯折而损伤内部导电网络。这些损伤从哪里开始，又会怎样影响材料的性能？

  近日，南京林业大学、天津大学和江西师范大学联合团队在《Progress in Polymer Science》发表题为“Polyimides for extreme environments: design, performance and applications”的综述。南京林业大学硕士生刘森为论文第一作者，蒋少华教授、廖孝剑教授、侯豪情教授和封伟教授为共同通讯作者，南京林业大学为第一单位。文章从实际服役需求出发，梳理了聚酰亚胺的成形过程及其对结构和缺陷的影响，并结合不同应用讨论分子、界面和多尺度结构设计如何延缓损伤。围绕每类设计，文章进一步分析了它能改善哪些性能、可能带来哪些取舍，以及如何评价改进后的材料能否长期工作。

图1 面向极端环境的聚酰亚胺设计框架，展示材料成形、潜在缺陷、服役损伤与功能保持之间的联系。

材料成形如何影响后续结构损伤

  聚酰亚胺可加工成纤维、薄膜、泡沫和气凝胶。不同的成形路线会改变分子链的排列、孔隙的分布和界面的结合方式，也可能留下残余应力或局部缺陷。这些结构差异会影响材料在受热、受力或接触腐蚀介质时，损伤首先出现的位置及其扩展方式。

  以聚酰亚胺气凝胶为例，定向冷冻可利用冰晶生长引导孔道排列，使材料在不同方向上表现出不同的传热和承载特性。多孔结构有助于减轻重量、减少固相传热，但骨架过于疏松时，孔壁及其连接处在压缩下更容易变形。因此，气凝胶的孔道取向和骨架结构需要结合实际传热方向与受力条件进行设计。

图2 聚酰亚胺气凝胶的制备路线与代表性结构，展示加工方式如何改变孔道排列和骨架形态。

电磁防护如何兼顾低反射与有效衰减

  入射到材料上的电磁波能量可分为反射、吸收和透射三部分。两种材料即使具有相近的总屏蔽效能，反射和吸收所占的比例也可能明显不同。对于需要减少反射的场景，材料表面要让入射波更容易进入，内部则要使进入的电磁波得到充分衰减。

  综述以电导率梯度和分层结构为例，说明这两项任务如何分配到材料的不同区域。电导率沿厚度方向变化时，材料从不同方向受到照射，反射表现也可能不同。分层设计则可让靠近入射侧的区域改善阻抗匹配、减少表面反射，由内部区域承担衰减功能。这些设计依赖导电通路和层间界面的完整性。实际应用中，还需关注材料在弯折、受热或受潮后能否维持所需的电磁防护性能。

图3 聚酰亚胺基材料的代表性电磁防护策略，展示电导率梯度如何影响反射，以及不同功能层如何分别承担入射匹配和内部衰减。

聚酰亚胺如何用于电池与高温介电电容器

  电池在反复充放电过程中，需要维持离子传输和集流体界面的稳定。对于聚酰亚胺支撑的轻质铜集流体，电解液沿界面渗入可能加剧铜层剥离，影响导电性能。高温介电电容器同时承受高温和强电场，载流子迁移会增加漏电流和能量损耗，严重时可能导致介质击穿。

  综述介绍了聚酰亚胺在两类器件中的设计思路。在电池中，带负电的纳米通道可限制阴离子迁移，同时为锂离子提供传输路径。增强聚酰亚胺支撑层与铜层的结合，则有助于减少电解液渗入和铜层剥离。在高温介电电容器中，可通过分子链端改性或构筑梯度界面，引入能够束缚载流子的电荷陷阱，从而限制电荷迁移并减少漏电。

图4 聚酰亚胺在电池与高温介电电容器中的代表性设计，涵盖离子传输调控、集流体界面强化和电荷迁移抑制。

总结与展望

  面向极端环境的聚酰亚胺设计，需要明确材料在目标工况下最先出现的损伤，以及使用期间必须维持的功能。未来可在更接近实际服役的条件下开展多因素耦合和长时测试，将孔壁变形、界面开裂或导电通路受损等结构变化，与隔热、屏蔽或绝缘性能的衰减联系起来，为材料选择和寿命评价提供依据。对于存在性能取舍的应用，可通过分层或梯度结构让不同区域分别承担所需功能。同时，如何将实验室中的结构设计转化为可重复、可规模化的制备工艺，并兼顾材料使用后的回收，也是后续研究的重要方向。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2026.102205