《Adv. Mater.》：超轻耐烧蚀形状记忆陶瓷化聚合物气凝胶：自适应热防护新材料

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

Tuo Liu, Tiantian Xue, Shibai Yang, Xu Zhang, Chao Zhang, Wei Fan*, Tianxi Liu*

Adv. Mater. 2025, DOI: 10.1002/adma.202516627

在载人航天和深空探测中，极端的进入条件，如高超音速进入速度、复杂的大气进入环境和强烈的热冲击，要求热防护系统具有高可靠性。可展开热防护系统（DTPS）通过在大气进入期间显著增加防护面积、降低弹道系数并增强减速能力，发挥着至关重要的作用。这使得在有效缓解热流和气动载荷的同时，执行前往稀薄大气行星的任务、高海拔着陆以及运送更重载荷成为可能。当前的DTPS技术分为两类：机械展开系统（包括美国国家航空航天局开发的Parashield和自适应可展开进入与放置技术）和充气系统（例如美国的“充气再入飞行器实验”和欧洲航天局开发的“充气再入与下降技术”）。然而，目前DTPS系统仍存在结构复杂、重量过大以及隔热不足等缺点，限制了其应用。形状记忆材料能够在外界刺激下执行可靠的形状变换行为，为设计新型DTPS提供了灵感。其中，形状记忆聚合物（SMP）具有低密度（< 1 g cm^-3）、大变形能力（> 200 % 应变）和设计多样性等优点，但SMP受热稳定性限制（< 400 ℃），使其难以应用于极端气动热环境。与之相对，形状记忆陶瓷（SMC）具有更优异的耐热性能。然而，SMC 存在密度高（> 2.5 g·cm^-3）、形状固定率低（< 90 %）及恢复动力学缓慢（> 20 min）等问题，阻碍了其在复杂结构中的高效展开。因此，如何同时实现材料轻量化、优异形状记忆性能与超高耐温性，仍是开发先进 DTPS 材料面临的关键挑战。

针对上述问题，江南大学刘天西教授和樊玮教授团队提出一种形状记忆可陶瓷化聚合物气凝胶（SMCPA），该材料协同整合了超低密度、优异的形状记忆性能与高温热防护能力。SMCPA以聚酰亚胺-聚硅氧烷共聚物为气凝胶基体，并引入功能性无机填料增强。在该体系中，聚硅氧烷具有双重作用：一方面作为可逆相赋予材料优异的形状记忆性能，另一方面作为陶瓷前驱体，在高温下与功能性填料协同发生原位转化，形成二氧化硅。这种原位陶瓷化过程显著提升了材料的抗烧蚀性能，在 1.5 MW·m^-2 热流密度下，其质量烧蚀率仅为 0.012 ± 0.003 g·s^-1。得益于气凝胶的高孔隙三维结构，SMCPA 展现出超低密度（0.12 ± 0.02 g·cm^-3）与优异的隔热性能（室温下热导率为 0.055 ± 0.001 W·m^-1·k^-1），突破了传统热防护材料在密度与防护性能之间的权衡难题。值得注意的是，SMCPA 的热响应特性使其可通过气动加热触发形状恢复，实现防护结构的自主展开。实验结果表明，展开后材料的有效受热面积提升 680 %，这一特性对增强大气再入过程中的减速效率与有效载荷能力具有重要工程价值，为下一代可展开热防护系统与高温热防护领域提供了新方案。

本文第一作者为江南大学化学与材料工程学院博士研究生刘拓，通讯作者为江南大学刘天西教授、樊玮教授。

论文连接：https://doi.org/10.1002/adma.202516627