重庆大学陈立明/北交大张如炳AFM：超强韧、可折叠！双交联聚酰亚胺气凝胶柔性热防护材料!

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-28 10:43

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在材料科学的浩瀚宇宙中，气凝胶复合材料一直以其卓越的绝热性能闪耀着独特的光芒。它们具有轻量化和高效隔热的优势，广泛应用于航空航天等领域的热防护系统，然而它们的力学性能有限，使得它们在多功能应用场景和应用范围中受到极大的限制。因此，开发用于设备和人员抵御力-热危害的气凝胶复合材料需要更多的设计范式。重庆大学航空航天学院陈立明教授团队联合北京交通大学张如炳教授，成功开发出了一种新型的有机-无机杂化双交联聚酰亚胺气凝胶复合材料（PIAC），这不仅打破了气凝胶力学性能差、柔性差的传统局限，更是在力-热协同防护气凝胶复合材料设计领域开启新篇。

“我们一直在寻求一种能够同时具备高强韧和超绝热性能的气凝胶复合材料。”重庆大学航空航天学院博士生陈佳说道，“这个研究始于一个简单的思考，即气凝胶是通过不破坏水凝胶的纳米多孔凝胶网络结构的完整性而脱水得到的。当前，设计和合成具有卓越力学性能的水凝胶常常需要在网络中引入牺牲键。这些键被设计为在外部应力下优先断裂，从而耗散能量，同时增强了材料的力学性能。那么，受超强韧水凝胶中双交联网络构建的启发，气凝胶能否也利用微观尺度上多种分子的相互作用来实现更强大的能量耗散机制呢?”

图1：PIAC的微观结构和交联过程。

经过实验和总结，通过3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）对SiO₂纳米颗粒进行表面修饰，使其能够与聚酰胺酸（PAA）发生化学交联和物理交联，从而将有机高分子聚酰亚胺（PI）和SiO₂纳米颗粒结合起来，创造出一种全新的双交联气凝胶复合材料。具体来说，化学交联是通过化学键合将聚酰亚胺（PI）分子链与氨基修饰的二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒连接起来形成坚固的交联点。物理交联是通过物理作用（例如分子间的缠结和物理吸附）将PI分子链与SiO₂纳米颗粒结合在一起。这种交联方式主要依赖于PI分子链与SiO₂纳米颗粒之间的物理缠结，以及在制备过程中（例如溶剂交换、超临界干燥等步骤）使PI分子链和SiO₂纳米颗粒在物理上紧密结合形成均匀的网络结构。

图2：有机-无机杂化PIAC的交联过程和性能。

阻燃性强：PIAC具有最高的阻燃等级V-0。

自清洁性：PIAC具有自清洁性能，接触角可达152°，表现出超疏水性。

力学性能的显著提升：PIAC的拉伸强度达到8.5 MPa（增强2.6倍），断裂伸长率达到54%（增强17.5倍）。它的断裂韧性高达32.99×10⁶ kJ/m³（增强47.8倍）。同时，它还具有良好的可折叠性，能够承受反复折叠和展开而不损坏。抗冲击性能良好，其吸能性能达到7.46 MJ/m³，比PI气凝胶提高了60%。

图3：PIAC的力学性能。

热学性能优异：得益于SiO₂纳米颗粒抑制PI气凝胶网络收缩使得PIAC密度降低，PIAC在-110°C到300°C的温度范围内表现出卓越的热绝缘性能，热导率仅为0.0357 W/(m·K)。

图4：PIAC在极端温度下的热学性能。

超低介电：介电常数低至1.4。

大规模生产潜力：该材料的制备过程简单，可实现大尺度和大规模生产，有望在柔性热防护领域得到广泛应用。

PIAC可以重复折叠、拉伸，甚至在高冲击力下吸收能量，保护内部结构不受损害，在航空航天、军事装备和电子设备等领域展现出了巨大的应用潜力；在军事装备中作为防护服为士兵提供保护；在电子设备中确保设备在高温环境下稳定运行。目前团队成员计划向外探索合作，希望能够将该材料推广到实际应用。随着团队技术的不断成熟和成本的降低，希望PIAC能够实现更多的具体应用案例，成为推动重大装备跨代提升的技术保障。

相关成果以“Double-Crosslinked Organic–Inorganic Hybrid Polyimide Aerogel Composites with Ultra-Robust Toughness for Foldable Mechanical-Thermal-Coupled Protection”为题发表在《Advanced Functional Materials》上（10.1002/adfm.202420717）。重庆大学航空航天学院博士生陈佳为论文第一作者，重庆大学航空航天学院侯先波助理研究员、陈立明教授以及北京交通大学物理工程学院张如炳教授为共同通讯作者。此研究工作得到国家自然科学基金、重庆市杰出青年科学基金、中国博士后科学基金、爆炸科学与安全防护全国重点实验室开放基金的资助支持。

论文信息：

Jia Chen, Xianbo Hou*, Zhilin Chen, Liliang Chen, Shuyan Nie, Shaowei Zhu, Tao Liu, Liming Chen*, Rubing Zhang*, Double-Crosslinked Organic–Inorganic Hybrid Polyimide Aerogel Composites with Ultra-Robust Toughness for Foldable Mechanical-Thermal-Coupled Protection.

全文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202420717

来源：高分子科学前沿

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