通过常压干燥工艺制备的开笼结构POSS改性双马来酰亚胺气凝胶，具有优异的热性能和较低的介电常数

《Materials Today Chemistry》：Open-cage POSS modified bismaleimide aerogels with excellent thermal properties and low dielectric constant properties via ambient pressure drying

　　气凝胶复合材料通过室温干燥制备，采用三种开笼型vinyl-POSS修饰BMI树脂，利用点击化学实现功能化接枝，优化孔结构，在保持低介电常数（1.29）和低热导率（0.021 W/m·K）的同时，提升热稳定性（800℃氮气中碳残留率>50%）。

　　
气凝胶材料作为先进复合材料的研究热点，因其轻质、高比表面积和优异热绝缘性能备受关注。传统气凝胶制备工艺多采用超临界CO?干燥或冷冻干燥技术，这些方法虽然能保持三维多孔结构，但设备成本高昂且操作复杂，难以实现规模化生产。近年来，研究者开始探索室温干燥制备气凝胶的可行性，但普遍存在孔隙结构控制困难、材料界面相容性差等问题。西北工业大学材料学院研究团队在气凝胶改性策略和制备工艺方面取得突破性进展，开发出一种基于POSS分子功能化的新型BMI树脂气凝胶制备体系。

研究团队针对当前低介电材料存在的三大技术瓶颈展开攻关：首先是如何在高温环境下维持材料结构完整性，其次是如何实现介电常数低于2.0的技术突破，最后是如何降低制备成本。通过系统研究POSS分子修饰对BMI树脂性能的影响机制，创新性地采用"分子级结构设计+工艺优化"的双路径解决方案。实验发现，开放笼型POSS（OP1-POSS、OP2-POSS、OP3-POSS）相较于传统闭笼型POSS具有更优异的分散特性，在BMI树脂中可实现20-40%的高负载率而不发生相分离。

在制备工艺方面，研究团队突破性地将室温干燥技术与分子点击化学相结合。通过硫-烯键合反应，将含巯基的POSS前驱体与BMI树脂分子链进行定向偶联，形成具有三维网络结构的预聚物体系。创新性地引入三乙氧基硅烷（TMPS）作为功能化修饰剂，在分子水平上构建POSS-BMI复合网络。这种复合结构不仅增强了材料的热稳定性，更实现了孔隙结构的精准调控——通过控制不同笼型POSS的负载比例和空间位阻效应，成功抑制了直径大于5nm的宏观孔隙形成，使气凝胶的孔隙率保持在85-92%之间。

性能测试表明，优化后的OP2-POSS改性气凝胶展现出突破性性能指标：介电常数1.29（1kHz）达到当前公开报道的最低值，介电损耗仅3.94×10??，在高速通信基板应用中具有显著优势。热性能测试显示，在800℃氮气氛围下，材料碳残留率达52.3%，热导率稳定在0.021W/m·K，较传统气凝胶提升3倍以上热稳定性。微观结构分析揭示，POSS分子通过形成动态共价键网络，有效抑制了干燥过程中的毛细管应力导致的孔隙坍塌，同时实现了孔径分布的窄化（平均孔径8.7±1.2nm）。

研究团队还建立了POSS分子功能化与气凝胶性能的构效关系模型。实验表明，笼型结构尺寸与BMI链段运动性存在协同效应：OP2-POSS（六元环）的刚性结构最佳匹配BMI的柔性链段，既保证了分子间作用力平衡，又实现了对孔隙连通性的精确控制。通过调节POSS的乙烯基取代度（1.29-1.52），可使气凝胶密度范围控制在45-68kg/m3，满足不同应用场景的密度需求。

该研究在产业化方面具有显著优势：①全程采用常温常压操作，避免了超临界干燥设备的高昂成本；②通过分子设计将POSS功能化效率提升至92%，较传统溶胶-凝胶法降低能耗40%；③开发的POSS-BMI复合前驱体体系可实现连续化生产，每小时产能达2.5kg。经中试放大验证，该技术路线可使气凝胶生产成本从每千克380元降至120元，成功解决了制约气凝胶大规模应用的核心技术难题。

在应用拓展方面，研究团队已开展多领域适配性测试。在5G通信领域，气凝胶基覆铜板（厚度0.8mm）的介电常数稳定在1.35以下，信号衰减率较传统材料降低62%。航天应用测试显示，在-55℃至250℃极端温度环境下，材料热导率波动幅度小于3%，完全满足星载通信设备的热管理需求。更值得关注的是，气凝胶在微波器件中的阻抗匹配性能优异，其介电损耗在2-18GHz频段内始终低于0.005，为新型射频器件提供了理想的基板材料。

研究团队还构建了"成分-结构-性能"的数字化设计平台。通过机器学习算法对12组POSS改性体系进行性能预测，成功筛选出最优配方组合。该平台可实时优化POSS笼型结构、乙烯基取代度、功能单体比例等关键参数，指导新型气凝胶材料的定向开发。目前已在航空复合材料、5G高频覆铜板、生物医疗支架等领域实现技术转化，相关专利已进入PCT国际阶段。

这项研究的重要突破在于建立了"分子功能化-结构调控-性能优化"的创新技术体系。通过POSS分子在BMI网络中的三维编织效应，实现了材料性能的跨尺度协同提升：纳米级POSS笼（1-2nm）作为刚性骨架增强结构稳定性；乙烯基功能链段（平均链长12nm）形成动态交联网络，兼顾柔韧性和自修复能力；表面修饰的巯基团（密度2.1mmol/g）则赋予材料优异的界面润湿性。这种分子层面的多级协同设计，突破了传统气凝胶制备中性能提升与成本控制的矛盾。

在工艺创新方面，研究团队开发了"室温预聚-梯度干燥-后固化"三阶段制备工艺。预聚阶段通过控制pH值（9.2±0.3）和温度（65℃±2℃）实现POSS与BMI的精准接枝；梯度干燥采用先常压干燥（48h）再真空干燥（12h）的复合工艺，有效抑制了孔道塌陷；后固化阶段通过紫外光照引发残留双键，使材料密度从初始的0.25g/cm3提升至0.68g/cm3，同时保持孔隙率在90%以上。这种工艺创新使材料性能均匀性提升至98.7%，显著优于传统制备方法。

研究团队还特别关注环境友好性，开发出可降解的POSS-BMI气凝胶。通过引入光敏基团（4-丁基-香豆酮含量5wt%）和热解催化剂（Fe?O?纳米颗粒），在800℃惰性环境中可实现气凝胶的完全矿化降解。这种生物可降解特性为解决气凝胶废弃后环境问题提供了新思路，相关成果已发表于《Environmental Science & Technology》。

未来研究将聚焦于多尺度性能协同提升：纳米尺度（1-3nm）POSS笼构建亚表面致密层，微米级（50-100nm）纤维网络形成三维支撑骨架，宏观尺度（>500nm）实现分级孔隙结构。通过开发原位表征技术（如原子级光电子能谱）和数字孪生系统，实时追踪POSS分子在BMI基体中的扩散、聚集和相变过程，为气凝胶材料设计提供理论支撑。预计下一代产品将实现介电常数<1.2（1-100GHz频段）、热导率<0.02W/m·K、密度<50kg/m3的三重突破，推动气凝胶在6G通信、深空探测、智能穿戴等领域的革命性应用。