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江西理工大學(xué)張思釗課題組 AFM：耐極端環(huán)境聚酰亞胺氣凝膠
2025-02-28  來(lái)源：高分子科技

  聚酰亞胺氣凝膠（PIA）具有優(yōu)異的隔熱性能、熱穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度等特點(diǎn)，是航空航天高性能熱防護(hù)材料領(lǐng)域的優(yōu)選材料。目前，PIA在高溫氣氛下的尺寸穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致材料宏觀性能發(fā)生顯著退化，嚴(yán)重限制了PIA在極端環(huán)境下的潛在應(yīng)用。因此，研制一種兼具耐高溫和極端環(huán)境耐受性能的PIA對(duì)于支撐我國(guó)新型飛行器熱防護(hù)材料具有重要意義。


  為解決上述挑戰(zhàn)，江西理工大學(xué)張思釗副教授課題組提出氣凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架原位包覆生長(zhǎng)策略（圖1），在設(shè)計(jì)合成高性能聚酰亞胺氣凝膠的基礎(chǔ)上，利用有機(jī)硅烷前驅(qū)體水解形成的聚甲基硅氧烷對(duì)氣凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架進(jìn)行微納尺度包覆，實(shí)現(xiàn)了聚酰亞胺氣凝膠在極端環(huán)境下的耐高溫和抗深冷。


圖1 設(shè)計(jì)思路與合成路線


圖2 微觀形貌結(jié)構(gòu)及元素分布


  單面加熱和耐高溫性能考核實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚酰亞胺氣凝膠在300 ℃下的溫差可達(dá)201.7 ℃，具有優(yōu)異的隔熱性能。此外，聚酰亞胺氣凝膠在300 ℃考核仍然具有優(yōu)異的高溫尺寸穩(wěn)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(tǒng)的聚酰亞胺氣凝膠（200 ℃考核會(huì)出現(xiàn)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?dú)w因于聚甲基硅氧烷網(wǎng)絡(luò)對(duì)基體骨架的防護(hù)，抵擋了高溫?zé)崃鞯那治g，避免了納米孔結(jié)構(gòu)的坍塌，大幅度抑制了氣凝膠的熱致收縮。


圖3 隔熱機(jī)制與耐高溫性能


  本研究還設(shè)計(jì)了兩組熱沖擊循環(huán)實(shí)驗(yàn)，在高低溫交變循環(huán)條件下，所制聚酰亞胺氣凝膠即使經(jīng)過(guò)1000次循環(huán)后，氣凝膠的線性收縮率僅為0.70%。在極端高低溫循環(huán)條件下循環(huán)10次后，氣凝膠的線性收縮率也僅為1.09%？梢(jiàn)，本研究構(gòu)筑的聚酰亞胺氣凝膠有望滿(mǎn)足航空航天極端環(huán)境下對(duì)高性能熱防護(hù)材料的迫切需求。


圖4 極端環(huán)境下的性能表征


  此外，本研究還對(duì)氣凝膠進(jìn)行了阻燃防火性能測(cè)試，分別利用酒精燈和丁烷噴燈對(duì)氣凝膠進(jìn)行高溫灼燒。結(jié)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?zhèn)热员Ａ粲胸S富的孔隙結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)闅饽z的正面在經(jīng)歷高溫灼燒后形成了納米級(jí)的致密層，這將有效阻滯熱流擴(kuò)散與熱傳導(dǎo)，最終較好地維持了氣凝膠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)骨架的完整性。


圖5 阻燃防火特性及結(jié)構(gòu)演變


  相關(guān)研究成果以“High-Temperature Resistant Polyimide Aerogels with Extreme Condition Tolerance Constructed by in Situ Skeleton Encapsulation Growth”為題，發(fā)表于Advanced Functional Materials。江西理工大學(xué)2022級(jí)碩士研究生劉淳為論文第一作者，張思釗副教授、國(guó)防科大博士后合作教授為論文通訊作者。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。


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

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