在航空航天领域，航天器外层的隔热材料经常面临宇宙中极端温度环境（温度范围从-100 °C至150 °C）带来的严峻挑战。因此，需要开发出既具有弹性又耐高低温的隔热材料，从而保证航天器在面对动态热波动时，外部隔热材料的功能性与结构完整性不受影响。因此，一种制造简便、绿色环保并且可以有效提高材料的机械性能和阻燃隔热性能的有机-无机复合气凝胶，为开发具有综合性能的隔热材料提供了新的方向。
近日，北京化工大学齐胜利教授和武德珍教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Binary-Network structured PI@SiO2 nanofibrous composite aerogels with temperature invariant superelasticity for thermal insulation”。研究者结合化学诱导微交联和热致诱导微交联法制备出了具有双交联结构的PI纳米纤维气凝胶骨架结构，采用溶胶共混法引入SiO2溶胶，成功制备了具有双网络双交联结构的PI@SiO2复合纳米纤维气凝胶。所得PI@SiO2复合气凝胶在-196 °C到1100 °C宽温域范围内均表现出超级的弹性，此外还表现出优异的耐疲劳性能、低导热系数以及优异的阻燃性能。
图1 PI@SiO2气凝胶的制备流程、微观结构表征以及宏观图像。
图2 PI@SiO2气凝胶的微观结构表征。
利用化学诱导微交联和热致诱导微交联法来调控PI纳米纤维骨架结构的微观结构，目的是构建具有连续、稳定、双交联的PI纳米纤维骨架。接着，通过溶胶共混法以及冷冻干燥法形成双网络结构，其中PI纳米纤维和SiO2纳米颗粒共同构成腔壁结构中的细胞壁结构，最终得到具有双交联和双网络结构的PI@SiO2气凝胶。由于该实验采用一体化成型工艺，操作简便，因此复合气凝胶可以通过调控过程参数从而调控其大小、形状以及密度。
图3 PI@SiO2气凝胶的室温下的力学性能表征。
稳定的双交联PI纳米纤维网络结构赋予了复合气凝胶优异的压缩和弯曲性能。它能在50%的应变下承受1000次的压缩循环测试，并在5%的应变下承受高达100000次的压缩循环测试，且在整个测试过程中，其储能模量、损耗模量和损耗因子均保持不变。在0.1-100 rad/s的宽角频率范围内，该材料仍然能够保持结构稳定性。同时，PI@SiO2气凝胶相较于传统无机气凝胶的高脆性，展现了优异的柔性，使其能够轻易地折叠、弯曲和打结。其屈曲回复性能在20-80%的屈曲应变范围内保持稳定，这证明了即使在80%的屈曲应变下，气凝胶依然能够保持结构完整，突显了其优异的屈曲恢复性能。进一步地，在50%的应变下进行了1000次屈曲循环测试后，PI@SiO2气凝胶仍能恢复到初始状态，这充分展示了其出色的抗弯曲疲劳性能。
图4 PI@SiO2气凝胶的极端温度下的力学性能表征。
在25至300 °C的温度范围内，PI@SiO2气凝胶可在5%的应变下承受100000次压缩循环测试，并在测试过程中储能模量、损耗模量和损耗因子均保持不变，展现了宽温度范围内的优异的耐疲劳性能。此外，在极端温度下（从-196 °C到1100 °C）以及真空条件下，PI@SiO2气凝胶仍能保持其超弹性特性，这充分证明了双交联结构在保持材料结构稳定性方面发挥着关键作用。
图5 PI@SiO2气凝胶的隔热以及阻燃性能表征。
导热系数测试结果显示，未添加SiO2的PI纳米纤维气凝胶的导热系数为30 mW m⁻¹ K⁻¹，而添加了SiO2的PI@SiO2气凝胶最低的导热系数为25.8 mW m⁻¹ K⁻¹。相较于文献记录中的其他隔热材料，PI@SiO2气凝胶具有更低的导热系数，同时也具备能够承受更高工作温度的能力。在高温隔热测试中，将20 mm厚的PI@SiO2气凝胶放置在500 °C的高温热台上持续30 min，其表面温度最低仅达到119 °C。此外，经过阻燃测试后，PI@SiO2气凝胶同样具备优异的阻燃性能。这些优异的性能预示着PI@SiO2气凝胶在高性能热防护领域具有广阔的应用前景。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152424
人物简介：
通讯作者：齐胜利，北京化工大学材料学院教授/博士生导师，作为项目负责人近年来承担教育部联合基金(青年人才基金)、国家973项目、国家自然科学基金面上项目和青年基金项目、江苏省杰出青年基金项目、校企合作产学研前瞻研究项目以及国际合作项目20余项。以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Storage Mater.、Small、Nanoscale、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Membrane Sci.、Chem. Mater.等期刊上发表SCI收录论文100余篇；获授权发明专利50余项；完成专著一部《高性能聚酰亚胺纤维及应用》。
