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江西理工大學張思釗課題組 AFM：耐極端環境聚酰亞胺氣凝膠

2025-02-28 來源：高分子科技

聚酰亞胺氣凝膠（PIA）具有優異的隔熱性能、熱穩定性和力學強度等特點，是航空航天高性能熱防護材料領域的優選材料。目前，PIA在高溫氣氛下的尺寸穩定性較差，導致材料宏觀性能發生顯著退化，嚴重限制了PIA在極端環境下的潛在應用。因此，研制一種兼具耐高溫和極端環境耐受性能的PIA對于支撐我國新型飛行器熱防護材料具有重要意義。

為解決上述挑戰，江西理工大學張思釗副教授課題組提出氣凝膠網絡骨架原位包覆生長策略（圖1），在設計合成高性能聚酰亞胺氣凝膠的基礎上，利用有機硅烷前驅體水解形成的聚甲基硅氧烷對氣凝膠網絡骨架進行微納尺度包覆，實現了聚酰亞胺氣凝膠在極端環境下的耐高溫和抗深冷。

圖1 設計思路與合成路線

圖2 微觀形貌結構及元素分布

單面加熱和耐高溫性能考核實驗結果表明，聚酰亞胺氣凝膠在300 ℃下的溫差可達201.7 ℃，具有優異的隔熱性能。此外，聚酰亞胺氣凝膠在300 ℃考核仍然具有優異的高溫尺寸穩定性，線性收縮率僅為1.11%，相較于純的聚酰亞胺氣凝膠，收縮率下降了98.04%，相較于傳統的聚酰亞胺氣凝膠（200 ℃考核會出現明顯的熱致收縮），本研究所得氣凝膠的使用溫度上限提升了100 ℃，這主要歸因于聚甲基硅氧烷網絡對基體骨架的防護，抵擋了高溫熱流的侵蝕，避免了納米孔結構的坍塌，大幅度抑制了氣凝膠的熱致收縮。

圖3 隔熱機制與耐高溫性能

本研究還設計了兩組熱沖擊循環實驗，在高低溫交變循環條件下，所制聚酰亞胺氣凝膠即使經過1000次循環后，氣凝膠的線性收縮率僅為0.70%。在極端高低溫循環條件下循環10次后，氣凝膠的線性收縮率也僅為1.09%。可見，本研究構筑的聚酰亞胺氣凝膠有望滿足航空航天極端環境下對高性能熱防護材料的迫切需求。

圖4 極端環境下的性能表征

此外，本研究還對氣凝膠進行了阻燃防火性能測試，分別利用酒精燈和丁烷噴燈對氣凝膠進行高溫灼燒。結果表明，聚酰亞胺氣凝膠的阻燃性有了明顯的提升，即使在1200 ℃的火焰下，其背面側仍保留有豐富的孔隙結構，這是因為氣凝膠的正面在經歷高溫灼燒后形成了納米級的致密層，這將有效阻滯熱流擴散與熱傳導，最終較好地維持了氣凝膠內部網絡骨架的完整性。

圖5 阻燃防火特性及結構演變

相關研究成果以“High-Temperature Resistant Polyimide Aerogels with Extreme Condition Tolerance Constructed by in Situ Skeleton Encapsulation Growth”為題，發表于Advanced Functional Materials。江西理工大學2022級碩士研究生劉淳為論文第一作者，張思釗副教授、國防科大博士后合作教授為論文通訊作者。研究得到國家重點研發計劃和江西省重點研發計劃等項目的資助。

論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202500881

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（責任編輯：xu）

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