面向复杂空间环境的聚酰亚胺气凝胶微结构形成机理与性能研究

Polyimide (PI) aerogels applied as flexible thermal protection materials were developed rapidly in the area of aerospace. As a kind of key materials to be developed in the future, functional polyimide aerogel is expected to be applied as thermal insulation for space explorations. This project will research on the PI aerogels face to the complicated space environment, such as atomic oxygen, ultraviolet radiation, electrons and protons radiation, etc. Through the exploration of molecular structure design which contain phosphous, silicon atoms and isomerized polyimide and synthetic method, this project proposed systematic research the preparation and property control technology, material microstructure formation mechanism of those functional polyimide aerogels have ultra-low thermal conductivity, high temperature resistant grade and excellent space environment adaptation, explore the interrelationships of the molecular structure, preparation technology and performance. Through this project, the preparation technology of functional polyimide aerogel with excellent comprehensive performance will be developed. The research of this project will afford a theoratical and technological support for the urgent application requirement of polyimide aerogel materials.

近年来，聚酰亚胺（PI）气凝胶作为轻质防/隔热材料在航空航天领域得到了快速发展，并将在空间飞行器柔性热防护结构、宇航服等航天结构中得到广泛应用。但当前国内外针对PI气凝胶微结构形成机理与空间环境防护方法的研究还不够系统。本项目将以面向复杂空间环境（原子氧、紫外辐照、电子与质子辐照等）的PI气凝胶材料为研究对象，通过对“交联型PI气凝胶微结构形成机理及调控方法研究”、“耐空间环境PI气凝胶的化学结构设计、制备与性能研究”这两个科学问题的研究，探索并掌握新型功能性PI气凝胶的化学合成方法、微结构形成机理、性能调控方法；揭示含硅基团、磷基团及异构化结构和合成方法对PI气凝胶性能的影响规律；获得具有超低导热系数、高耐温等级和优异耐空间环境性能的PI气凝胶材料合成与制备方法，为高性能PI气凝胶材料在我国空间飞行器领域的应用提供理论依据和技术支撑。

本项目以聚酰亚胺（PI）气凝胶在航天轻质防/隔热结构中的应用为牵引，重点研究交联型PI气凝胶微结构形成机理及调控方法、耐空间环境PI气凝胶制备与性能评价等关键科学问题。主要工作包括：（1）提出了柔性交联型聚酰亚胺气凝胶(CPIA)的化学结构设计与制备方法，从PI气凝胶分子结构的设计、制备工艺的优化以及结构改性等方面进行了系统的研究，建立和发展了具有优异综合性能的交联型柔性PI气凝胶的化学结构设计和合成工艺路线，研究了固体含量对PI气凝胶微结构及材料性能的影响规律，考察了气凝胶的分子结构、微结构组织形貌、孔吸附特性、热性能、热稳定性等。制备了CPIA/SiO2复合气凝胶，研究了其原子氧辐照性能。（2）在CPIA气凝胶研制基础上，提出了本征抗原子氧聚酰亚胺气凝胶(SPIA)的合成方法，通过引入POSS基团显著提高了气凝胶的抗原子氧能力，研究了含POSS基团的引入对PI气凝胶微结构及其性能的影响规律，掌握了具有超低导热系数、高耐温等级和优异耐空间环境性能的PI气凝胶材料合成与制备方法。（3）开展了PI气凝胶耐空间环境性能评价与机理研究，考察了气凝胶在空间模拟环境（原子氧、紫外辐照、高真空、空间粒子撞击等综合环境效应）下的性能稳定性。含POSS基团的气凝胶经原子氧辐照后具有“自修复”功能，将大大提高材料的空间原子氧环境的适应能力，延长材料服役寿命。（4）利用该方法研制出高性能PI气凝胶的热防护结构，在空间飞行器多层隔热组件（MLI）、充气式再入减速装置（IRDT）与充气舱柔性热防护结构中获得了示范性验证应用，表现出了良好的空间使役性能，为高性能PI气凝胶材料在我国空间飞行器领域的广泛应用提供了理论依据和技术支撑。. 本项目的研究达到了预期目标，取得了较丰硕的研究成果，共发表学术论文10篇，申请发明专利4项，获得军队科技进步二等奖1项，培养博士生4人。