近日，我院刘天西教授/樊玮教授在形状记忆陶瓷化聚合物气凝胶的自适应热防护研究中取得重要进展，研究成果以“Ultralight and Ablation-Resistant Shape-Memory Ceramizable Polymer Aerogel for Self-Adaptive Thermal Protection”为题发表在《Advanced Materials》上（DOI:10.1002/adma.202516627）。本文第一作者为江南大学博士研究生刘拓，通讯作者为江南大学刘天西教授、樊玮教授。
可展开热防护系统（DTPS）在航天器大气进入期间可以显著增加防护面积、降低弹道系数并增强减速能力，发挥着至关重要的作用。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、大变形能力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。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，研究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SiO2与功能性填料协同发生原位转化。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。同时，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。
图1 形状记忆陶瓷化聚合物气凝胶在热冲击下的展开过程与隔热性能展示
