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江南大学研究团队成功开发了一种兼具形状记忆效应与高温陶瓷化功能的聚合物气凝胶，成功解决了轻质隔热材料在可展开变形与极端热防护之间的固有矛盾，为下一代可展开热防护系统提供了全新解决方案。该气凝胶孔隙率达 93.5±0.2%，密度低至 0.12±0.02 g/cm³。聚硅氧烷软段作为可逆相，显著提升了聚酰亚胺基体的形状记忆性能。在玻璃化转变温度（Tg=302.7℃）触发下，材料经 5 次形状记忆循环后表现出优异的形状记忆性能（形状固定率 97.0±0.5%，形状回复率 94.2±0.6%）。在中低温区间（30–200℃），气凝胶展现出超低导热系数（室温 0.055±0.001 W・m⁻¹・K⁻¹，200℃时 0.091±0.002 W・m⁻¹・K⁻¹）。高温原位陶瓷化后，在 1.5 MW・m⁻² 热流密度下，气凝胶表现出优异的抗烧蚀性能，质量烧蚀率仅为 0.012±0.003 g・s⁻¹。形状记忆可陶瓷化聚合物气凝胶（SMCPA）实现了自适应热防护材料的重要突破，为未来航空航天领域兼顾变形能力与极端环境适应性提供了关键支撑。

【一】研究背景

深空探测可展开热防护系统（DTPS）需同时满足轻质、大变形、耐高温三大核心要求，但现有材料存在难以调和的矛盾：

形状记忆聚合物（SMP）：密度低、变形能力强、响应快，但热稳定性差（＜400℃），无法耐受极端气动热环境。
形状记忆陶瓷（SMC）：耐高温、抗烧蚀，但密度高、形状固定率低、回复慢（＞20min），部署效率低。
现有 DTPS 还存在结构复杂、重量大、隔热不足等问题，难以满足下一代深空探测与高超声速飞行器需求。
【二】研究创新点

材料体系创新：首次构建聚酰亚胺 - 聚硅氧烷共聚物气凝胶，兼具形状记忆与高温原位陶瓷化双功能。

自适应工作机制：受热先快速形状回复展开（Tg=302.7℃），升温后原位陶瓷化（＞600℃）形成致密抗烧蚀层。
性能协同突破：超轻密度（0.12±0.02 g/cm³）+高形状记忆性能+优异抗烧蚀隔热，解决 “轻质可展开” 与 “高温防护” 的长期冲突。
工程价值：展开后迎风面积提升680%，显著增强大气减速能力，适配 DTPS 实际应用。

【三】SMCPA 的设计与制备

(1)分子设计：合成聚酰亚胺 - 聚硅氧烷嵌段共聚物（PAASi）作为气凝胶基体。

(2)复合体系：添加云母、聚磷酸铵（APP）、硼酸锌（ZB）作为无机填料与助熔剂。

(3)制备工艺：溶液共混→冷冻干燥→热亚胺化，得到可陶瓷化复合气凝胶（CPISA）。

图 1面向可展开热防护系统的 SMCPA 设计传统 a) 形状记忆聚合物（SMP）与 b) 形状记忆陶瓷（SMC）在可展开热防护系统中的缺陷SMCPA 在可展开热防护系统中的设计思路与固有优势花瓣状 SMCPA 材料的形状记忆与热防护性能展示。

图 2 CPISA 的制备与表征。a) PAASi 的分子结构；b) CPISA 的形成示意图；c) PAA 与 PAASi 的核磁共振氢谱；d) CPISA 的 X 射线衍射图谱；e) CPISA 与对照样品的密度和孔隙率。数据为三次独立重复实验的平均值 ± 标准差 (n=3)；f) CPISA 的扫描电镜图，插图：CPISA 孔壁上的无机填料颗粒；g) CPISA 中 Si、Zn、B、P 元素的能谱面分布；h) CPISA 实物照片，展示超轻特性、复杂结构成型与规模化制备能力

【四】形状记忆性能

(1)测试形状固定率（Rf）与形状回复率（Rr）：5 次循环后Rf=97.0±0.5%，Rr=94.2±0.6%。
(2)揭示机理：聚硅氧烷软段提供可逆变形，多次循环优化分子链与填料界面，提升记忆性能。
(3)微观表征：SEM 与 WAXS 证实形变时孔结构扁平化、分子链取向，回复后恢复原状。
图 3 CPISA 的形状记忆性能与机理 a) CPISA 形状固定与回复过程实物图；b) PIA、PISA、CPISA 的形状固定率 (Rf) 与形状回复率 (Rr)。数据为三次独立重复实验的平均值 ± 标准差 (n=3)；c) CPISA 五次形状记忆循环的动态力学分析曲线；d) CPISA 形状固定与回复过程示意图；e) 扫描电镜图；f) 二维广角 X 射线散射图；g) 一维广角 X 射线散射图状态 i–iv 分别对应：初始状态、固定状态、回复中状态、完全回复状态

【五】热防护与陶瓷化机理

(1)隔热性能：室温导热系数0.055±0.001 W·m⁻¹·K⁻¹1200℃火焰背面温度仅 110.4℃。

(2)抗烧蚀性能：1.5 MW・m⁻² 热流下质量烧蚀率 0.012±0.003 g・s⁻¹，优于传统材料。

(3)陶瓷化过程：＞600℃共熔反应生成SiO₂、Zn₂P₂O₇、BPO₄等高熔点陶瓷相，形成致密保护层。

(4)力学增强：1000℃陶瓷化后压缩模量达 26.3 MPa，较室温提升498%。

图 4 CPISA 的热防护性能 a) 隔热机理示意图；b) 不同温度下 CPISA 的导热系数；c) 1200℃火焰处理前后 CPISA 的红外吸收；d) 1200℃火焰下背面温度测试装置及背面红外热像；e) 20 分钟内背面温度变化曲线。插图：表面形貌变化；f) 1.5 MW・m⁻² 热流下 CPISA 正面与背面温度曲线。插图：氧乙炔烧蚀装置；g) CPISA 与现有烧蚀热防护材料的密度与质量烧蚀率对比。

图 5 CPISA 的力学稳定性与陶瓷化机理 a) 不同温度处理后 CPISA 的扫描电镜图；b) 不同温度处理后 CPISA 的压缩模量。数据为五次独立重复实验的平均值 ± 标准差 (n=5)；c) 1000℃铁球作用下 PIA 与 CPISA 的高温力学稳定性。标尺：20 mm；d) 不同温度处理后 CPISA 的 X 射线衍射图谱；e–g) 1000℃处理前后 CPISA 的 Si 2p、P 2p、B 1s X 射线光电子能谱

【六】应用前景

(1)伞型样机验证：火焰加热10s 内完全展开，面积增 680%，同步实现隔热防护。
(2)3D 打印适配性：成型精度高、收缩率低（9.2±0.5%），可制备复杂 DTPS 结构。
(3)拓展应用：航空航天隔热、电动车电池安全、工业高温设备保温。

图 6 SMCPA 在可展开热防护系统中的潜在应用演示 a) 气动加热下 SMCPA 形状记忆驱动展开并实现热防护功能的示意图；b–d) 丁烷火焰加热下 SMCPA 模型的形状回复过程实物图；e) 火焰作用下 SMCPA 内外温度曲线。插图：专用测试装置；f) SMCPA 与现有热响应变形材料的性能雷达图对比

原文：Ultralight and Ablation-Resistant Shape-Memory Ceramizable Polymer Aerogel for Self-Adaptive Thermal Protection

作者：Tuo Liu, Tiantian Xue, Shibai Yang，et al.

期刊：Adv. Mater. 2026, 38, e16627

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【一】研究背景

【二】研究创新点

图 1面向可展开热防护系统的 SMCPA 设计传统 a) 形状记忆聚合物（SMP）与 b) 形状记忆陶瓷（SMC）在可展开热防护系统中的缺陷SMCPA 在可展开热防护系统中的设计思路与固有优势花瓣状 SMCPA 材料的形状记忆与热防护性能展示。

【四】形状记忆性能

【五】热防护与陶瓷化机理

【六】应用前景