航空航天中的深低温挑战及创新弹性材料的突破
在航空航天领域，面对极端深低温环境下的材料挑战，传统弹性材料往往难以满足需求，容易出现性能失效。近期，复旦大学科研团队针对这一问题取得了重大进展。他们成功研发出一种能在深低温环境下保持超弹性的聚酰亚胺（PI）气凝胶，为航空航天器及其相关设备在极端环境下的运行提供了强有力的材料支持。
PI气凝胶制备技术的革新之旅
该团队采用了二甲基亚砜晶体辅助冷冻凝胶化和冷冻干燥（DMSO-FGFD）的创新策略。在这种策略指导下，聚酰亚胺（PI）被成功转化为具有超弹性的气凝胶。通过对材料的精细调控，实现了从聚酰胺酸（PAA）到PI的转化，进一步实现了低体积收缩和低的密度。结合创新的模具设计和温度调节技术，PI气凝胶展现出了独特的蜂窝结构，这种结构赋予其出色的机械性能。
材料的卓越性能表现
这种PI气凝胶之所以备受关注，是因为它具备共价交联的化学结构、独特的负泊松比（NPR）行为、低收缩率和密度。这些特性使得PI气凝胶展现出高达90%应变的全可逆超弹性，并且在经过5000次压缩循环后依然能够保持稳定。更令人印象深刻的是，这种超弹性和抗疲劳性能在宽温度范围内都得以保持，即使在剧烈热冲击后也几乎没有弹性损失。
制备过程的详细解析
PI气凝胶的制备过程经过精心研究。通过化学酰亚胺化得到酸酐封端的PI低聚物。接着，含有PI低聚物和交联剂的DMSO溶液被添加到预设模型中，进行定向冷冻凝胶化过程。在这个过程中，DMSO晶体的生长方式和分布受到精确控制，形成了具有径向分布的蜂窝结构的PI气凝胶。其交联度可根据需要，通过调节原料的摩尔比来实现。
深入探究结构与形态
与传统的PI气凝胶相比，这种新型PI气凝胶的体积收缩率极低，密度小，孔隙率高达99.57%。其独特的形态和结构主要得益于预冷冻过程中形成的最小收缩和有序的DMSO晶体。这种独特的DMSO-FGFD工艺使得材料的密度、孔隙率和壁厚都能根据实际需求进行灵活调整。
机械性能与超弹性的评估报告
PI气凝胶表现出各向异性的机械性能，沿通道方向具有高刚度，垂直通道方向则具有超高柔韧性。这种独特的机械性能主要得益于其超低密度、径向分布的蜂窝结构和增强的PI链交联网络。即使在反复压缩至90%应变后，PI气凝胶仍能保持出色的回弹力，为航空航天领域的应用提供了广阔的可能性。
总结与未来展望
这项研究为航空航天领域提供了一种新型的弹性材料，具有出色的深低温超弹性表现，为航天器和相关设备的制造带来了新的选择。这一成果也为极端环境下的材料科学研究开辟了新的方向。未来，这种PI气凝胶的应用前景广阔，值得进一步深入研究和开发。相关论文已发表在《Nature Communications》上，通讯作者是复旦大学的叶明授教授和沈剑锋教授。
