1.航空航天热声管理的刚需困境：传统气凝胶的产业化“卡脖子”难题
热声管理多孔材料关乎装备安全性与舒适性，需同时满足低热导、宽频隔音、耐温度波动和振动载荷。气凝胶虽具轻质、超低导热、吸音优势，但两大瓶颈制约应用：
在航空航天装备的设计制造体系中，热声管理多孔材料从来都是决定装备极端工况服役安全性与舒适性的核心关键部件。这类材料需要同时满足极低的热传导系数实现高效隔热，高效的微孔结构实现宽频隔音，同时还要在剧烈的温度波动、高频振动、交变应力等极端条件下保持结构完整，不会出现开裂、变形、功能失效的问题。
而气凝胶虽具备轻质、超低导热、优异吸音的组合优势，但两大瓶颈制约应用：
①力学短板：二氧化硅气凝胶极脆，聚合物基气凝胶强度不足，复杂载荷下易坍塌；
②制备工艺：超临界干燥（SCD）设备昂贵、高压危险、批次小，产品价格动辄数万元一立方米，完全无法支撑航空航天领域的大尺寸部件量产需求；冷冻干燥（FD）周期长达数天、产能低；常压干燥（APD）成本仅为SCD的十分之一，但溶剂挥发产生的毛细管力会压垮纳米孔结构，数十年来无法突破。
此外，高强度气凝胶往往孔隙率低、隔热差，轻质高孔隙材料力学弱且阻燃不足，需额外添加阻燃剂，增加重量并存在挥发隐患，难以同时满足承重、隔热、隔音、阻燃等多重指标。
2. 颠覆性工艺创新：“定向冷冻-刻蚀-常压干燥”实现绿色零有机溶剂置换的气凝胶制备
李海龙副教授带领团队跳出了传统气凝胶制备的固化思路，没有沿着“优化凝胶网络强度抵抗毛细管力”的常规路径走，而是开创性提出了完全自主知识产权的“定向冷冻-刻蚀-常压干燥”全新制备策略，用完全不同的工艺逻辑，直接解决了常压干燥下孔结构坍塌的世纪难题。
团队选择了常用的高性能工程塑料聚醚砜（PES）作为基体材料，DMSO为溶剂，先定向冷冻使溶剂沿温度梯度生长为大尺寸定向冰晶，聚合物被排挤至冰晶间隙，形成各向异性连续骨架。随后直接水刻蚀（无需任何有机溶剂置换），温和去除DMSO模板。
水凝胶再经常压干燥，得益于定向连续骨架和枝晶状分支孔结构的强抗毛细管能力，孔道完整保留，仅微小收缩。
整个制备流程从根本上抛弃了高成本、高能耗的超临界干燥和冷冻干燥设备，全程使用常规的化工生产设备就可以完成，无需特殊高压低温工况，无有机溶剂置换步骤，能耗不到传统超临界干燥工艺的三分之一，生产周期从传统工艺的数天缩短到十几个小时，完全可以直接对接现有大规模生产线实现批量制造，从根源上解决了高性能气凝胶规模化生产的成本难题。
这套工艺还展现出了极强的普适性，目前已经成功拓展到PPESS以及PES/PPESS复合气凝胶体系中，完全可以复现这套定向孔结构和优异的综合性能，为后续更多高性能工程塑料气凝胶的低成本制备提供了全新的通用技术路径。
3. 全性能维度突破：仅调节浓度即可实现从超弹性到刚性的宽范围性能定制
传统气凝胶的性能调节往往需要改变原料配方、调整交联密度甚至掺杂不同的填料，不仅工艺复杂，还容易引入杂质影响材料的本征性能。而此次大连理工团队开发的PES气凝胶，仅仅通过简单调控初始PES溶液的质量分数在3-11 wt.%的区间内变化，就可以精准地调控最终气凝胶的微观形貌，实现力学性能从超弹性到高强度刚性的大范围无级调节，完全可以根据不同应用场景的需求定制对应性能的产品，灵活性远超现有所有气凝胶材料。
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11%浓度：轴向压缩模量达36.4 MPa，可作承重结构；
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3%浓度：径向超弹性，100%压缩循环后高度保持82.6%；
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各向异性孔结构赋予低热导：轴向0.0397~0.0569 W/(m·K)，径向0.0387~0.0541 W/(m·K)，最低0.0397 W/(m·K)，低于静止空气，200℃下数厘米厚即可高效隔热；
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本征阻燃：极限氧指数35，自熄，热失重温度526℃，无需阻燃剂；
- 9%浓度样品降噪系数0.41，可将80.2 dB噪音降低29.5 dB，同时轴向压缩模量仍达16.9 MPa，首次实现高强度、低导热、阻燃、高效隔音四者统一，可替代多层功能材料，大幅减重。
4.极致应用潜力验证：25 kg载荷下200℃高温环境结构完好，全循环再生实现零废弃
为了直观验证这款高性能PES气凝胶在实际复杂工况下的综合服役能力，研究团队专门选取了综合性能最为均衡的9 wt.%型号的PES气凝胶，将其组装成模拟航空航天热声管理部件的微型功能模型，开展了一系列极端工况模拟测试，得到的测试结果彻底展现了这款材料的产业化落地潜力。
在25 kg载荷、环境从室温升至200℃时，内部温升不足12℃，结构无坍塌变形；隔音测试覆盖低高频段，适用宽频噪音。材料可完全用DMSO重新溶解，重复定向冷冻-刻蚀-常压干燥工艺，再生后微观孔结构和力学、隔热、声学性能均无明显衰减，实现零废弃闭环。
3. 面向航空航天千亿级市场：为先进热声管理提供可规模化可持续的全新材料平台
在航空航天产业向着更高速度、更极致载荷、更低能耗方向快速发展的今天，这款全新开发的高性能PES气凝胶，相当于直接为整个行业打开了一扇全新的材料大门。
该工艺适合大尺寸批量制造，原材料供应成熟，设备通用，可快速建成数万立方米级产线。民用大飞机座舱使用可减重超30%，降低油耗并提升静谧性；高速军机蒙皮可集成结构承重与热声管理；深空探测器适应宽温差环境。该研究不仅提供了PES气凝胶实用路径，更建立了绿色低成本的聚合物气凝胶制备新体系，为其他高性能工程塑料气凝胶的开发提供通用技术平台，有望推动航空航天及轨道交通、储能等领域的下一代热声管理材料规模化应用。
图1. 多尺度PES气凝胶的制备流程和性能
图2. PES气凝胶的机械性能
图3. PES气凝胶的隔热和阻燃性能
图4. PES气凝胶的吸音隔音性能
图5. 大尺度PES气凝胶的制备和多功能应用
全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.76784
来源：Ai高分子材料社