气凝胶复合材料一直因其卓越的绝热性能在材料科学领域备受关注，其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，然而其力学性能有限，在多功能应用场景和应用范围中受到极大的限制。近期，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），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。

研究人员表示，团队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。该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 ℃到300 ℃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。

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。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202420717

（来源：高分子科学前沿）