本网讯  近日，我校国际创新研究院张思钊副教授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。研究揭示了聚酰亚胺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网络骨架，明晰了气凝胶网络骨架形成机理，并实现聚酰亚胺气凝胶在极端环境下（温差为496 ℃）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，发表于国际材料领域顶级期刊《Advanced Functional Materials》（影响因子：18.5）。我校为论文第一完成单位，我校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

热防护材料技术是新型临近空间飞行器无法回避且必须解决的关键核心技术之一，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有力候选材料。然而，PIA在高温气氛下的尺寸稳定性较差，导致材料宏观物理特性（如耐高温、隔热性能等）发生显著退化，严重限制了PIA在极端环境下的应用潜力。因此，研制一种兼具耐高温和耐极端环境冲击的PIA对于推动我国航空航天领域新型飞行器热防护材料创制具有重要意义。

图2 热传导规律与高温环境下网络骨架演变机制

为解决上述挑战，课题组提出气凝胶网络骨架原位包覆生长策略，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热防护材料的耐高温、抗深冷、高效隔热、阻燃防火等多功能一体化构建。

研究结果表明，聚酰亚胺气凝胶样品在300 ℃热源温度考核下冷热面温差为201.7 ℃，体现了优异的隔热性能。此外，在300 ℃高温环境考核下仍具有优异的高温尺寸稳定性，线性收缩率仅为1.11%，相较于本征聚酰亚胺气凝胶，收缩率下降达98.04%，相较于已报道的聚酰亚胺气凝胶（200 ℃考核会出现明显的热致收缩现象），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包覆层对基体骨架的有效防护，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 极端环境下气凝胶材料的耐受能力评估

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（温差为270 ℃），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（温差为496 ℃）循环10次后，气凝胶的线性收缩率也仅为1.09%。综上所述，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 飞行器热防护技术团队（聚合物气凝胶课题组）师生，右一为张思钊

张思钊课题组主要从事航空航天气凝胶热防护材料技术及系统工程应用研究，在国际创新研究院院领导班子的大力支持下，现已组建飞行器热防护技术团队（聚合物气凝胶课题组），搭建了面向航空航天、国防军工、深空探测等领域的飞行器空间环境热控技术实验室研发创新平台。

张思钊简介：承担国家重点研发计划“引力波探测”重点专项任务1项，主持GF项目、江西省重点研发计划重点项目、中国博士后科学基金面上资助等项目12项。发表Advanced Functional Materials、Small、Carbohydrate Polymers、Biomacromolecules、Cellulose等期刊论文＞60篇，出版学术专著1部，授权国家发明专利6项、欧洲发明专利1项。担任中国硅酸盐学会溶胶凝胶分会理事、江西省科技专家库专家、赣州市科技专家库专家、某军工单位技术专家顾问，《宇航材料工艺》《海军航空大学学报》青年编委、Gels（SCI）客座编辑，以及Materials Science and Engineering: R: Reports、Nature Communications等期刊的同行评议审稿人。

论文链接：

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

（文、图/刘淳）