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  形狀記憶聚合物（SMPs）作為一種智能材料能夠感知外部刺激并產(chǎn)生響應(yīng)驅(qū)動，具有質(zhì)量輕、成本低、變形量大等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、機器人等領(lǐng)域。航空航天飛行器的快速發(fā)展，對可變形熱防護系統(tǒng)和智能防隔熱材料技術(shù)提出了更大的挑戰(zhàn)。開發(fā)具有耐高溫性能的樹脂和具有優(yōu)異可調(diào)隔熱性能的氣凝膠是實現(xiàn)智能熱防護的關(guān)鍵。

  近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松院士團隊在《Chemical Engineering Journal》上發(fā)表了題為《Self-Sensing Shape Memory Boron Phenolic-Formaldehyde Aerogels with Tunable Heat Insulation for Smart Thermal Protection Systems》的研究論文，博士生胡利凱為第一作者，冷勁松院士和張風(fēng)華研究員為共同通訊作者。論文報道了一種基于超支化拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計策略的形狀記憶硼酚醛樹脂（SMBPF），兼具耐高溫和耐燒蝕（線燒蝕速率0.048mm/s）性能。以可溶性鹽為模板，采用原位聚合策略制備了低密度（0.18g/cm3）和高孔隙率（89.3%）的形狀記憶硼酚醛氣凝膠（SMBPFA）。形狀記憶性能和隔熱性能的協(xié)同效應(yīng)，使氣凝膠能夠根據(jù)需求提供可調(diào)的隔熱能力，為智能熱防護系統(tǒng)提供了新的設(shè)計思路。

圖1. 用于智能熱防護系統(tǒng)的具有可調(diào)隔熱性能的自感知形狀記憶硼酚醛氣凝膠

  酚醛樹脂具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和燒蝕性能，是一種很有前途的燒蝕熱防護材料。氣凝膠的出現(xiàn)拓寬了酚醛在防火、隔熱、隔音等領(lǐng)域的應(yīng)用。航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，對熱防護系統(tǒng)提出了智能化的需求，開發(fā)出具有主動隔熱性能的氣凝膠材料迫在眉睫。作者設(shè)計并合成了基于超支化反應(yīng)的SMBPF，通過原位聚合策略模板上制備了SMBPFA，得益于形狀記憶性能與隔熱性能的共同作用，處于臨時形狀的SMBPFAs具有主動調(diào)控的隔熱能力，有望應(yīng)用于未來飛行器的智能熱防護系統(tǒng)。

圖2. a) SMBPFs制備示意圖，b) SMBPFs的FTIR光譜，c) SMBPFs的TGA曲線，d) SMBPFs的DTG曲線，e) SMBPFs的DSC曲線，f-g) SMBPFs的DMA曲線。

  以氯化鈉作為模板，使預(yù)固化硼酚醛樹脂粉末于模板上進行原位聚合，構(gòu)建起三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，制備出具有多孔結(jié)構(gòu)的各向異性SMBPFAs。發(fā)生50%的壓縮形變后，SMBPFAs的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的壓縮變形，熱驅(qū)動的作用下，其能夠由臨時形狀恢復(fù)至初始形狀，微觀結(jié)構(gòu)也隨之進行形狀回復(fù)。

圖4. a) SMBPFAs制備示意圖，b-c) SMBPFAs的SEM圖像，d) SMBPFAs的實物圖片

  氣凝膠優(yōu)異的隔熱性能源于其超高的孔隙率，這是其在熱防護系統(tǒng)中應(yīng)用的基石。原位聚合過程中納米孔的生成進一步增強了氣凝膠的隔熱性能。氣凝膠在200℃的加熱平臺上經(jīng)過350s的測試后，冷測溫度低至43.8℃，樣品冷側(cè)和熱側(cè)溫差超過156℃。在800℃丁烷火焰的直射下，15mm的SMPBFA樣品冷側(cè)溫度低至在162℃，體現(xiàn)了其出色的燒蝕防熱性能。

圖6. a) SMBPFAs和加熱階段的溫度記錄，b) SMBPFAs隔熱性能測試的熱成像圖片，c) SMBPFAs的導(dǎo)熱系數(shù)，d) 鮮花在氣凝膠上的紅外熱成像圖片，e-f) SMBPFAs在丁烷火焰下的熱防護性能演示

  該項研究成果獲得了國家自然科學(xué)基金的大力支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159558