江西理工大学张思钊课题组 AFM：耐极端环境聚酰亚胺气凝胶

2025-02-28 来源：高分子科技

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，导致材料宏观性能发生显著退化，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。

为解决上述挑战，江西理工大学张思钊副教授课题组提出气凝胶网络骨架原位包覆生长策略（图1），在设计合成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网络骨架进行微纳尺度包覆，实现了聚酰亚胺气凝胶在极端环境下的耐高温和抗深冷。

图1 设计思路与合成路线

图2 微观形貌结构及元素分布

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高温尺寸稳定性，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 ℃，这主要归因于聚甲基硅氧烷网络对基体骨架的防护，抵挡了高温热流的侵蚀，避免了纳米孔结构的坍塌，大幅度抑制了气凝胶的热致收缩。

图3 隔热机制与耐高温性能

本研究还设计了两组热冲击循环实验，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%。可见，本研究构筑的聚酰亚胺气凝胶有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。

图4 极端环境下的性能表征

此外，本研究还对气凝胶进行了阻燃防火性能测试，分别利用酒精灯和丁烷喷灯对气凝胶进行高温灼烧。结果表明，聚酰亚胺气凝胶的阻燃性有了明显的提升，即使在1200 ℃的火焰下，其背面侧仍保留有丰富的孔隙结构，这是因为气凝胶的正面在经历高温灼烧后形成了纳米级的致密层，这将有效阻滞热流扩散与热传导，最终较好地维持了气凝胶内部网络骨架的完整性。

图5 阻燃防火特性及结构演变

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，发表于Advanced Functional Materials。江西理工大学2022级硕士研究生刘淳为论文第一作者，张思钊副教授、国防科大博士后合作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。

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202500881

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（责任编辑：xu）

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