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生響應驅動，具有質量輕、成本低、變形量大等優(yōu)點，被廣泛應用于航空航天、生物醫(yī)療、機器人等領域。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)異可調隔熱性能的氣凝膠是實現(xiàn)智能熱防護的關鍵。
近日，哈爾濱工業(yè)大學冷勁松院士團隊在《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構設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，使氣凝膠能夠根據(jù)需求提供可調的隔熱能力，為智能熱防護系統(tǒng)提供了新的設計思路。
圖1. 用于智能熱防護系統(tǒng)的具有可調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、隔音等領域的應用。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。作者設計并合成了基于超支化反應的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具有主動調控的隔熱能力，有望應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，使預固化硼酚醛樹脂粉末于模板上進行原位聚合，構建起三維網絡結構，制備出具有多孔結構的各向異性SMBPFAs。發(fā)生50%的壓縮形變后，SMBPFAs的微觀結構產生了顯著的壓縮變形，熱驅動的作用下，其能夠由臨時形狀恢復至初始形狀，微觀結構也隨之進行形狀回復。
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℃的加熱平臺上經過350s的測試后，冷測溫度低至43.8℃，樣品冷側和熱側溫差超過156℃。在800℃丁烷火焰的直射下，15mm的SMPBFA樣品冷側溫度低至在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基金的大力支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159558
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