形状记忆聚合物（SMPs）作为一种智能材料能够感知外部刺激并产生响应驱动，具有质量轻、成本低、易赋形、变形量大等优点，被广泛应用于航空航天、柔性电子、生物医疗等领域。将形状记忆聚合物制备成多孔的形状记忆气凝胶材料可兼具气凝胶的轻质、隔热等特性和形状记忆材料的刺激响应特性，由于其独特的性能组合，具有极其广泛的应用前景，特别适用于极端或复杂工况环境。
近日，哈尔滨工业大学冷劲松教授团队在《Carbon》上发表了题为《Reconfigurable high-temperature thermal protection shape memory aerogel based on phthalonitrile resin with facile template method》的研究性论文，哈尔滨工业大学博士研究生胡容祥为本文第一作者，张风华研究员和冷劲松教授为本文的共同通讯作者。研究以耐高温形状记忆邻苯二甲腈树脂（SMPN）为气凝胶基体，采用模板法制备了形状记忆气凝胶材料SMPNA。除了具有低密度的特性，SMPNA还可以通过形状记忆效应动态调节热防护能力，并在高温石墨化后实现高效微波吸收，为形状记忆气凝胶材料在航空航天、高温电子、智能热控系统等领域的应用提供了重要理论支撑与技术基础。
本工作以NaCl为模板，通过高速粉碎机将形状记忆邻苯二甲腈树脂预聚物与模板经高速粉碎混合均匀，将混合粉末模压成型后转移至高温烘箱中，经阶梯升温进行原位后固化聚合。之后将模板水洗溶出，干燥后即获得形状记忆邻苯二甲腈树脂基气凝胶SMPNA。溶出模板之前可将材料切割成多种形状，溶出模板获得预期形状的SMPNA，提高气凝胶的可加工性。
SMPNA具有形状记忆聚合物材料典型的变刚度特性，材料的玻璃化转变温度在300°C左右，室温下具有良好的力学承载性，高温下可进行压缩赋形。图2（a）为SMPNA压缩不同应变的临时形状及其微观结构。由于材料内部充满丰富的多孔结构，即使固定的压缩应变达到40%，此时的SMPNA仍具有较低的热导率，保持在46.64mW/m·K左右，在300°C加热台上表现出良好的隔热性能。
图1. SMPNA的制备加工
图2. SMPNA的隔热性能调控
此外，SMPNA还具有良好的热稳定性和热尺寸稳定性，TGA测试表明其初始分解温度达到421°C，1000°C的残碳量超过42%，能够对约800°C的丁烷火焰进行良好的防隔热，经压缩后固定的临时形状可以在丁烷火焰下进行形状回复，实现动态热防护调节。通过热处理证明了SMPNA的热尺寸稳定性，材料在400℃处理1h几乎不发生收缩，在600℃的线收缩率为8.72%，800℃的线收缩率为16.8%，1000℃的线收缩率为18.8%，且在热处理后仍保持多孔结构。
图3. SMPNA的热防护性能
图4. 碳纳米管复合SMPNA材料的吸波性能
经过800°C处理的SMPNA发生碳化具有一定的导电性，表现出良好的宽频吸波性能。引入多壁碳纳米管对SMPNA的吸波性能进行研究，加入8%碳纳米管的复合材料具有良好的吸波性能，而且可以借助形状记忆性能对吸波性能进行调控。此外，经400°C热处理仍不改变SMPNA复合材料的吸波性能，能够在高温环境中保持吸波性能的稳定。
该项研究成果获得了国家自然科学基金的大力支持。
课题组简介：
冷劲松院士团队长期从事于智能材料结构及其应用研究。在航天领域，研制了基于形状记忆聚合物复合材料的可展开铰链、桁架、重力梯度杆、天线、太阳能电池、离轨帆、锁紧释放机构等智能结构 (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)，可应用于各种卫星平台、空间站、探月工程、深空探测工程等。设计制备了构型、力学性能可调节、可重构的拉胀力学超材料和像素力学超材料 (Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2408887; Adv. Funct. Mater., 2023, 34, 2316181; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)。在生物领域，基于形状记忆聚合物等智能材料开发了多种智能生物支架和人工假体 (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)。冷劲松教授团队自主设计并研制的基于形状记忆聚合物的中国国旗锁紧展开机构，于2021年5月在天问一号上成功展开，使我国成为世界上首个将基于形状记忆聚合物复合材料的智能结构应用于深空探测工程的国家 (Smart Mater. Struct., 2022, 31, 115008.)。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120378
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