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  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(chǎn)生響應(yīng)驅(qū)動(dòng)，具有質(zhì)量輕、成本低、易賦形、變形量大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、柔性電子、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。將形狀記憶聚合物制備成多孔的形狀記憶氣凝膠材料可兼具氣凝膠的輕質(zhì)、隔熱等特性和形狀記憶材料的刺激響應(yīng)特性，由于其獨(dú)特的性能組合，具有極其廣泛的應(yīng)用前景，特別適用于極端或復(fù)雜工況環(huán)境。

  近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團(tuán)隊(duì)在《Carbon》上發(fā)表了題為《Reconfigurable high-temperature thermal protection shape memory aerogel based on phthalonitrile resin with facile template method》的研究性論文，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士研究生胡容祥為本文第一作者，張風(fēng)華研究員和冷勁松教授為本文的共同通訊作者。研究以耐高溫形狀記憶鄰苯二甲腈樹脂（SMPN）為氣凝膠基體，采用模板法制備了形狀記憶氣凝膠材料SMPNA。除了具有低密度的特性，SMPNA還可以通過形狀記憶效應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)熱防護(hù)能力，并在高溫石墨化后實(shí)現(xiàn)高效微波吸收，為形狀記憶氣凝膠材料在航空航天、高溫電子、智能熱控系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要理論支撐與技術(shù)基礎(chǔ)。

  本工作以NaCl為模板，通過高速粉碎機(jī)將形狀記憶鄰苯二甲腈樹脂預(yù)聚物與模板經(jīng)高速粉碎混合均勻，將混合粉末模壓成型后轉(zhuǎn)移至高溫烘箱中，經(jīng)階梯升溫進(jìn)行原位后固化聚合。之后將模板水洗溶出，干燥后即獲得形狀記憶鄰苯二甲腈樹脂基氣凝膠SMPNA。溶出模板之前可將材料切割成多種形狀，溶出模板獲得預(yù)期形狀的SMPNA，提高氣凝膠的可加工性。

  SMPNA具有形狀記憶聚合物材料典型的變剛度特性，材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在300°C左右，室溫下具有良好的力學(xué)承載性，高溫下可進(jìn)行壓縮賦形。圖2（a）為SMPNA壓縮不同應(yīng)變的臨時(shí)形狀及其微觀結(jié)構(gòu)。由于材料內(nèi)部充滿豐富的多孔結(jié)構(gòu)，即使固定的壓縮應(yīng)變達(dá)到40%，此時(shí)的SMPNA仍具有較低的熱導(dǎo)率，保持在46.64mW/m·K左右，在300°C加熱臺(tái)上表現(xiàn)出良好的隔熱性能。

圖1. SMPNA的制備加工

圖2. SMPNA的隔熱性能調(diào)控

  此外，SMPNA還具有良好的熱穩(wěn)定性和熱尺寸穩(wěn)定性，TGA測(cè)試表明其初始分解溫度達(dá)到421°C，1000°C的殘?zhí)剂砍^42%，能夠?qū)s800°C的丁烷火焰進(jìn)行良好的防隔熱，經(jīng)壓縮后固定的臨時(shí)形狀可以在丁烷火焰下進(jìn)行形狀回復(fù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)熱防護(hù)調(diào)節(jié)。通過熱處理證明了SMPNA的熱尺寸穩(wěn)定性，材料在400℃處理1h幾乎不發(fā)生收縮，在600℃的線收縮率為8.72%，800℃的線收縮率為16.8%，1000℃的線收縮率為18.8%，且在熱處理后仍保持多孔結(jié)構(gòu)。

圖3. SMPNA的熱防護(hù)性能

圖4. 碳納米管復(fù)合SMPNA材料的吸波性能

  經(jīng)過800°C處理的SMPNA發(fā)生碳化具有一定的導(dǎo)電性，表現(xiàn)出良好的寬頻吸波性能。引入多壁碳納米管對(duì)SMPNA的吸波性能進(jìn)行研究，加入8%碳納米管的復(fù)合材料具有良好的吸波性能，而且可以借助形狀記憶性能對(duì)吸波性能進(jìn)行調(diào)控。此外，經(jīng)400°C熱處理仍不改變SMPNA復(fù)合材料的吸波性能，能夠在高溫環(huán)境中保持吸波性能的穩(wěn)定。

  該項(xiàng)研究成果獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金的大力支持。

課題組簡(jiǎn)介：

  冷勁松教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事于智能材料結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用研究。在航天領(lǐng)域，研制了基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的可展開鉸鏈、桁架、重力梯度桿、天線、太陽能電池、離軌帆、鎖緊釋放機(jī)構(gòu)等智能結(jié)構(gòu) (Chem. Eng. J., 2025, 505, 159558; Compos. Part A-Appl. S.,2024, 190, 108595; Chem. Eng. J., 2024, 489, 150956; Chem. Eng. J., 2023, 457, 141282; Small, 2023, 2307244; Sci. China. Technol. Sc., 2020, 63, 1436–1451; Smart Mater. Struct., 2022, 31, 025021; Compos. Struct., 2022, 280, 114918; Compos. Struct., 2022, 290, 115513)，可應(yīng)用于各種衛(wèi)星平臺(tái)、空間站、探月工程、深空探測(cè)工程等。設(shè)計(jì)制備了構(gòu)型、力學(xué)性能可調(diào)節(jié)、可重構(gòu)的拉脹力學(xué)超材料和像素力學(xué)超材料 (Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2408887; Adv. Funct. Mater., 2023, 34, 2316181; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)。在生物領(lǐng)域，基于形狀記憶聚合物等智能材料開發(fā)了多種智能生物支架和人工假體 (Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2402592; Adv. Funct. Mater. 2023, 34, 2312036; Adv. Fiber Mater., 2023, 5, 632-649; Research, 2023, 6, 0234; Biomaterials, 2022, 291, 121886; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 42568-42577)。冷勁松教授團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)并研制的基于形狀記憶聚合物的中國(guó)國(guó)旗鎖緊展開機(jī)構(gòu)，于2021年5月在天問一號(hào)上成功展開，使我國(guó)成為世界上首個(gè)將基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用于深空探測(cè)工程的國(guó)家 (Smart Mater. Struct., 2022, 31, 115008.)。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120378