聚酰亚胺气凝胶及其复合材料的研究进展

朱明月,王 梁, 姜 雨,李 乐,2*，刘天西,2

(1. 江南大学 化学与材料工程学院, 江苏 无锡214122; 2. 江南大学 合成与生物胶体教育部重点实验室, 江苏 无锡 214122)

气凝胶是由胶体粒子或聚合物相互聚集并交联形成多孔网络，并在其中充满空气作为分散介质的一种新型轻质固体材料。气凝胶因具有极低的表观密度(可低至0.002 g·cm-3)、高孔隙率(80%～99.8%)、高比表面积(100～2 000 m2·g-1)等特点，从而使其具有良好的阻隔性能、极低的热导率(0.01～0.04 W·m-1·K-1)以及高吸附等优异特性。根据气凝胶多孔网络的化学组成，气凝胶可分为无机气凝胶、有机气凝胶和碳气凝胶。高分子气凝胶属于典型的有机气凝胶材料。与传统的无机气凝胶相比，高分子气凝胶材料具有种类繁多、原料丰富、力学性能良好等特点。目前，高分子气凝胶主要包括聚氨酯、纳米纤维素、聚酰胺和聚酰亚胺气凝胶等，其中聚酰亚胺气凝胶因其优异的综合性能而备受研究学者的广泛关注。聚酰亚胺是指主链上含有酰亚胺环结构的一类聚合物。其中，芳香族聚酰亚胺因分子链中同时含有芳香环和酰亚胺环，而具有极高的力学强度和模量，优异的热稳定性，良好的介电性能和耐候性[1-2]。结合聚酰亚胺和气凝胶的优异性能，聚酰亚胺气凝胶可作为结构功能一体化材料，在电子信息、航空航天、光电等前沿领域均具有重要的应用价值[3]。本综述首先总结了聚酰亚胺气凝胶及其复合材料的制备方法，接着概述了聚酰亚胺气凝胶复合材料在隔热材料、油水分离、压力传感和电磁防护等领域的研究进展(图1)，最后展望了聚酰亚胺气凝胶及其复合材料的发展前景和潜在挑战。

图1 (a) 2012年至2021年之间Web of Science上的“聚酰亚胺气凝胶”的年度研究论文数量；(b)聚酰亚胺气凝胶的复合材料及其应用的概况图

1 聚酰亚胺气凝胶的制备

聚酰亚胺气凝胶的制备主要包括单体缩聚反应，溶胶-凝胶过程，亚胺化和干燥等过程。首先，二元酐和二元胺单体进行缩聚反应得到前驱体聚酰胺酸(PAA)。将合成的聚酰胺酸与交联剂复合溶解来制备溶胶，并经溶胶-凝胶，亚胺化和干燥等过程，获得聚酰亚胺气凝胶。根据亚胺化的方式和干燥方式的不同，聚酰亚胺气凝胶的制备工艺主要可分成两种，即化学亚胺化-超临界干燥法[4]和冷冻干燥-热亚胺化[5]。

化学亚胺化-超临界干燥法中，聚酰胺酸溶胶在脱水剂乙酸酐和催化剂吡啶的共同作用下完成亚胺化反应和凝胶化过程，并获得聚酰亚胺凝胶。随后将聚酰亚胺凝胶经溶剂交换、超临界干燥过程获得聚酰亚胺气凝胶。经化学亚胺化-超临界干燥法所制备的聚酰亚胺气凝胶通常具有纳米尺寸的孔结构，极高的孔隙率，优异的力学强度和热稳定性等特点。但是该制备方法存在成本较高、反应周期较长和不够绿色环保等缺点。近年来，通过冷冻干燥-热亚胺化的方法制备聚酰亚胺气凝胶成为了新的发展趋势。冷冻干燥-热亚胺化方法是先需要在单体的缩聚反应中加入助溶剂，制备出水溶性的聚酰胺酸。水溶性聚酰胺酸与交联剂复合并溶解于水中，经溶胶-凝胶过程，冷冻干燥后得到聚酰胺酸气凝胶，再热亚胺化处理得到聚酰亚胺气凝胶。Wu等[6]以二氨基二苯醚和均苯四甲酸二酐为原料，以氨丙基三甲氧基硅烷封端，制备出水溶性的聚酰胺酸，再经冷冻干燥-热酰亚胺化过程得到聚酰亚胺气凝胶。这是首次以冷冻干燥-热亚胺化法制备出聚酰亚胺气凝胶的研究报道。Zhang等[7-8]在此基础上利用三乙胺替代了氨丙级三甲氧基硅烷对聚酰胺酸进行封端，获得了高水溶性的聚酰胺酸，该方法更利于高效去除有机溶剂，实现了通过冷冻干燥-热亚胺化法制备出高纯度的聚酰亚胺气凝胶(图2)。

图2 水溶性聚酰胺酸的合成路线

2 聚酰亚胺气凝胶复合材料

复合材料可结合两种或多种材料的微观结构和固有性质。聚酰亚胺气凝胶复合材料的制备通常是在单体聚合或溶胶-凝胶过程中加入功能纳米材料，其中功能纳米材料既可以作为化学/物理交联剂，改善聚酰亚胺的体积收缩问题，又可以为气凝胶复合材料提供导电、导热和电磁防护等其他功能特性。功能纳米材料可分为零维、一维和二维纳米材料，其选择主要取决于气凝胶复合材料的应用导向和功能需求。零维纳米材料是指在三个维度上都进入了纳米尺寸的材料，主要包括纳米团簇与颗粒。目前，已报道与聚酰亚胺气凝胶复合的零维纳米材料主要包括聚偏氟乙烯(PVDF)、二氧化硅(SiO2)纳米颗粒等。零维纳米材料的引入可以有效地调控PI气凝胶的孔结构，进而优化其性能。Qiao等[9]将PVDF纳米颗粒与聚酰亚胺复合制备出具有相分离结构的PI/PVDF气凝胶复合材料(图3a)，该PI/PVDF气凝胶复合材料克服了单一PI气凝胶因孔尺寸不足而导致的过滤效率差的问题，且均相分散的PVDF纳米颗粒提高了气凝胶复合材料的疏水性，拓展了其在潮湿环境中的应用潜力。研究结果表明通过改变气凝胶复合材料中PVDF的比例，可调节气凝胶复合材料的孔尺寸(图3b)，并改善气凝胶复合材料的透气性，优化后的空气颗粒物过滤效率可达到99.8%。此外，无机纳米颗粒的引入可以提高聚酰亚胺气凝胶的耐热性能，拓展其在高温下的应用(图3c)。Fan等[10]采用定向冷冻干燥-热亚胺化法制备了SiO2纳米颗粒交联聚酰亚胺气凝胶复合材料。氨基功能化SiO2纳米粒子不仅可与PI分子链形成非共价相互作用，而且提供了新的交联点，改善了PI/SiO2气凝胶复合材料的成型性，其体积收缩率低于20%。同时，纳米SiO2的引入可以有效降低气凝胶复合材料的热导率(图3d)。该PI/SiO2气凝胶复合材料具有高孔隙率、可控的孔尺寸、良好的力学强度和极低的热导率等特点，具有很高的应用价值。

图3 (a)PI/PVDF气凝胶复合材料的制备示意图；(b)PI气凝胶和PI/PVDF气凝胶复合材料的SEM电镜照片；(c)常见的气凝胶材料的热导率与最大工作温度；(d)环境温度下PI气凝胶和PI/SiO2气凝胶复合材料的热导率对比

一维纳米材料因高长径比和较大的比表面积等特点，也常用于制备高性能聚酰亚胺气凝胶复合材料，如碳纳米管(CNT)、金属纳米线和聚合物纳米纤维等。PI气凝胶在加工成型过程中易出现强烈的体积收缩现象，通过提高交联度有望显著改善PI气凝胶的加工过程的体积收缩问题。不同于成本昂贵的化学交联剂，一维纳米材料则可作为物理交联点，提高交联密度，进而获得具有良好尺寸稳定性、可控微孔尺寸的PI气凝胶复合材料。Fan等[11]在聚酰胺酸溶胶中添加不同官能团和长径比的CNT，并经过冷冻干燥、热亚胺化等工艺，制备了孔结构可调节的多功能聚酰亚胺气凝胶复合材料(图4)。在气凝胶复合材料中，PI分子链与碳纳米管通过氢键相互作用结合，形成物理交联点，提高了气凝胶的交联度，有利于克服冰晶生长过程中的膨胀力和冰升华过程中的毛细力，从而降低气凝胶复合材料的体积收缩率。一维纳米材料不仅可以提高PI气凝胶的交联度，还可以大幅度提高气凝胶的力学性能。Zhao等[12]使用静电纺丝制备的PI纳米纤维实现了对聚酰亚胺气凝胶力学性能增强的效果。PI纳米纤维与溶胶的良好的相容性，使得PI纳米纤维均相分散在PI气凝胶基体中。该纳米纤维增强的PI气凝胶不仅可通过气凝胶孔壁和纳米纤维的变形实现应力的高效耗散，而且展现了优异的机械性能和成型性，其压缩模量为3.7 MPa，密度为54.4 mg·cm-3。相较于PI气凝胶，该气凝胶复合材料的强度和韧性得到了大幅度提高。

图4 聚酰亚胺/碳纳米管气凝胶复合材料的制备示意图

近年来，二维纳米材料在制备高性能PI气凝胶复合材料中也具有广泛的应用，如二维过渡金属碳/氮化物(MXene)、氮化硼(BN)和石墨烯等。Liu等[13]将经过臭氧处理的亲水性聚酰亚胺纳米纤维(PNIF)与MXene纳米片溶液高效复合，再与聚酰胺酸溶液混合制备溶胶，经溶胶-凝胶过程、冷冻干燥和热亚胺化过程，制备了具有典型“层撑”结构的PINF/MXene气凝胶复合材料(图5a)。气凝胶复合材料中具有优异的导电性、丰富的表面官能团和良好亲水性的MXene纳米片，不仅提供了导电通路，还作为物理交联点，进一步提高了气凝胶复合材料的交联度和力学性能，基于PINF/MXene气凝胶的压阻式传感器具有较高的灵敏度，宽泛的检测范围和优异的耐疲劳性能。该压力传感器在高低温环境下仍然可维持优异的压阻传感性能和器件的稳定性，符合极端使用环境的需求。Yu等[14]通过对溶胶的定向冷冻，控制冰晶的定向生长，制备出各向异性的聚酰亚胺/石墨烯气凝胶复合材料(图5b)。该PI/石墨烯气凝胶复合材料的电导率、电磁屏蔽效能、热导率和压缩性能均表现出各向异性。

图5 (a)PINF/MXene气凝胶复合材料的制备示意图；(b)PI/石墨烯气凝胶复合材料的制备示意图

3 聚酰亚胺气凝胶及其复合材料的功能应用

3.1 保温隔热

保温节能材料对于促进能源的合理利用，缓解我国能源资源供应与经济社会发展的矛盾，加快发展循环经济以及实现经济社会的可持续发展有着举足轻重的作用[15]。传统的隔热材料如石棉、玻璃纤维、聚苯乙烯泡沫都存在质脆易碎，隔热阻燃效果有限，节能减排效果不佳等问题[16]。聚酰亚胺气凝胶复合材料因其高孔隙率、大比表面积、低表观密度、高力学强度等优点，在保温隔热材料领域具有广阔的应用潜力。Meador等[2]使用刚性较强的芳香族三胺作为交联剂与聚酰胺酸进行交联反应，经溶胶-凝胶和超临界干燥，制备出具有优异热稳定性的聚酰亚胺气凝胶，抗压强度达到4～9 MPa。该PI气凝胶的玻璃化转变温度达到270～340 ℃，热分解起始温度可达到460～610 ℃。该PI气凝胶优异的热稳定性主要归因于刚性分子链和纳米孔道结构对热传导的阻隔效应。聚酰亚胺气凝胶的力学强度及结构稳定性是其在恶劣环境中应用的基础，对聚酰亚胺气凝胶的微观孔结构进行调控是提高PI气凝胶的力学强度及结构稳定性的有效策略。Yuan等[17]通过调节聚酰胺酸羧酸盐水溶液浓度及咪唑化反应条件，获得了一种具有微观层状结构的PI气凝胶(图6a)。该PI气凝胶具有良好的隔热性能，在300 ℃下的热导率仅为31 mW·m-1·K-1。同时，该PI气凝胶经10 000次循环压缩后，仍能保持70%以上的压缩强度，具有优异的结构稳定性(图6b)。该气凝胶优异的结构稳定性主要归因于独特的层状微观结构，在形变过程中可实现应力的高效耗散。将PI气凝胶和纳米材料或其他聚合物材料复合制备气凝胶复合材料，是优化PI气凝胶力学性能的另一种有效策略。Fan等[10]采用冷冻干燥和热亚胺化相结合的方法制备了二氧化硅纳米颗粒交联的PI气凝胶(图6c)。该气凝胶复合材料在室温下的热导率仅为21.8 W·m-1·K-1，300 ℃下的热导率可以保持在35 W·m-1·K-1，分解温度高达560 ℃。Zhang等[18]采用双向冷冻技术制备了一种各向异性聚酰亚胺/细菌纤维素(b-PI/BC)气凝胶(图6d)。b-PI/BC气凝胶的表观密度随着细菌纤维素(BC)含量的升高而迅速降低，从97 mg·cm-3降低至46 mg·cm-3。气凝胶复合材料的机械强度并没有随着密度的降低而降低，其压缩模量仍保持在3 MPa。通过双向冻结技术所获得的b-PI/BC气凝胶具有规整排列的层状结构，表现出各向异性热绝缘行为，有助于平面内热扩散，避免热局部化，是一种高效的热管理材料。

图6 (a)层状PI气凝胶的SEM电镜照片；(b)PI气凝胶在多次循环压缩过程中能量耗散系数的变化；(c)PI/SiO2气凝胶的微观结构示意图及隔热性能；(d)b-PI/BC气凝胶在径向和轴向截面上的SEM电镜照片

3.2 油水分离

随着海上原油泄漏事故的频繁发生以及工业生产过程中含油废水的大量排放，水中油污染已经成为危害人类健康及环境安全的重大问题。为了保护生态平衡和人类健康，保护有限的水资源，有必要对含油污水进行有效分离[19]。在众多的油水分离材料中，具有高比表面积的多孔气凝胶材料不仅可以快速吸附水体中的油污，还可以通过挤压简单地实现油品的回收和吸附材料的重复利用，具有优异的应用前景。Zhang等[20]以水溶性的聚胺酸铵盐(PAS)为原料，合成的环境友好型PI气凝胶，可吸附其自身重量的30～195倍的有机污染物和油脂。该气凝胶还具有良好的耐候性，在极端环境中仍能保持理想的吸附效果。气凝胶的力学性能和结构稳定性是决定其能否进行多次油水分离实验的重要因素。通常，PI气凝胶材料在干燥成型过程中会因为材料表面张力过大，而出现体积收缩的现象，从而严重影响制备聚酰亚胺气凝胶的成型性[21-22]。针对PI气凝胶加工成型过程中普遍存在的体积收缩问题，Zhuo等[23]将具有优异力学强度的甲基纤维素(MC)与水溶性聚酰胺酸溶液高效复合，增强了气凝胶骨架强度，降低了气凝胶在干燥过程中的变形程度和收缩率(图7a)。研究结果表明，随着MC/PI气凝胶复合材料中MC含量的提高，对应的体积收缩率从60.1%降低到44.9%。相比较于纯PI气凝胶，该MC/PI气凝胶复合材料具有更优异的疏水性能和油水分离能力。该MC/PI气凝胶复合材料可多次反复应用于油水分离试验，并保持其油水分离性能。气凝胶的疏水性能与其油水分离性能密切相关，通过制备具有优异疏水性能的气凝胶是获得高性能油水分离气凝胶材料的基础保障[24]。Wu等[25]采用了独特的氨基化的笼型聚倍半硅氧烷(POSS-NH2)作为交联剂，所制备的PI气凝胶具有极高的孔隙率、纳米级的孔尺寸和极大的比表面积，进一步提高了气凝胶复合材料对有机物的吸附能力。同时，交联剂分子中-Si-O-Si-结构使得气凝胶具有更好的柔韧性和极低的表面能，提高了材料的疏水性。该PI气凝胶可在承受自身重量3倍以上的重物时，保持其结构完整性，并具有良好的回弹性能。Wang等[19]则通过引入2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑(PABZ)实现对PI气凝胶分子结构的调节。苯并咪唑环可以提供质子与酰亚胺环中的羰基形成强氢键作用，从而影响制备的气凝胶的微观孔结构[26]。制备的气凝胶的微观孔结构从蜂窝状大孔结构变为尺寸更小的互连多孔结构，并且孔壁厚度更薄，显著提高了气凝胶的疏水性。得益于三维互穿多孔结构、良好的热稳定性和耐候性，该PI气凝胶可在各种苛刻条件下实现高效的油水分离(图7b)，在油水分离领域具有良好的应用前景。

图7 (a)聚酰亚胺/甲基纤维素气凝胶复合材料的制备示意图；(b)制备的聚酰亚胺/甲基纤维素气凝胶复合材料的油水分离试验及表面亲/疏水试验展示

3.3 压力传感

随着智能机器人、电子皮肤和可穿戴电子设备发展，开发具有高灵敏度、快速响应、响应范围宽等特点的高性能压力传感器成为研究热点[13]。其中压阻式传感器因灵敏度高、制备成本低、信号采集方便等优点引起了广泛关注[27-30]。基于金属、无机半导体的压阻式压力传感器因其较差的形变能力，难以满足新型可穿戴电子产品的需求。开发基于柔性高分子气凝胶的新型压阻式传感器成为当前的研究热点。PI气凝胶因其优异的力学强度、耐候性以及良好的柔韧性，是制备压阻式传感器的合适载体材料。将导电纳米材料(如碳纳米管[31]、石墨烯[28]、金属纳米线[32])与PI气凝胶复合，在非共价相互作用下，实现导电纳米材料在PI气凝胶中的良好分散，可制备具有优异力学和导电性能的气凝胶复合材料[33-36]。Chen等[37]将CNT与聚酰胺酸复合制备溶胶，并经溶胶-凝胶、冷冻干燥和热亚胺化等过程制备出具有优异力学和压力传感性能的PI/CNT气凝胶复合材料。水溶性聚酰胺酸可与导电纳米材料(CNT)形成氢键相互作用，促进了CNT在气凝胶基体中的分散，并提高了气凝胶复合材料的力学强度。通过调节PI与CNT的质量比可高效改变气凝胶复合材料的压缩力学性能。当PI与CNT的质量比为5∶1时，气凝胶复合材料的压缩模量和强度分别为33.183 kPa和25.76 kPa，是PI与CNT质量比为1∶1的气凝胶复合材料的11倍和17倍。该PI/CNT气凝胶复合材料同时具有优异的压力传感性能，包括极低检测限(0.1%～80%应变，10 Pa～61 kPa)，超高的灵敏度(11.28 kPa-1)和快速的响应时间(50 ms)。将导电聚合物与PI复合可改善气凝胶复合材料的力学和导电性能，提供了优化气凝胶复合材料传感性能的新途径。Zhao等[38]报道了由聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)∶聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT∶PSS)和PI复合形成的全聚合物基气凝胶复合材料。气凝胶复合材料中PEDOT∶PSS的磺酸基与PAA的羧基单元之间形成氢键，提高了气凝胶复合材料的力学强度。扫描电镜(SEM)结果表明气凝胶复合材料内部构筑了三维导电网络，可在形变条件下快速产生电流响应。该PI/PEDOT∶PSS气凝胶复合材料能够在高温、低温以及酸性条件等极端环境中保持良好的压缩灵敏度和持久的稳定性，是性能优异的压力传感材料。

3.4 电磁防护

随着科学技术的不断发展，各类电子通信设备带来了严重的电磁辐射污染问题，研发出优异电磁屏蔽性能的微波吸收材料至关重要。目前，微波吸收材料的设计主要从减少反射和增大衰减两种途径出发，既需要满足良好的阻抗匹配与衰减匹配，还需兼具低密度、良好的力学性能、热稳定性等特性[39-40]。传统的电磁屏蔽材料如铁氧体、磁性金属、合金展现了优异的电磁波吸收性能。然而，密度高、加工工艺复杂、热稳定性差等缺点，限制了其在电磁屏蔽领域的进一步应用[41-44]。聚酰亚胺气凝胶是一种综合性能优异的三维多孔材料[1,45]，兼具气凝胶的高比表面积、高孔隙率与低热导率等特性以及聚酰亚胺的高机械强度、高热稳定性等特点，其独特的层状堆积结构有利于电磁波的多次反射和散射(图8a)，有望运用于电磁屏蔽领域[40]。气凝胶的导电性是影响其电屏蔽功能的重要因素之一。石墨烯具有优异的机械压缩、热稳定性、高导电性和灵敏度等特性，是构筑具有高效电磁屏蔽功能的聚酰亚胺气凝胶的优异填料之一[46]。基于气凝胶的优点，石墨烯的引入不仅为电子提供了传输路径，而且增强了入射电磁波在材料内部的反射和散射，因而广泛运用于聚酰亚胺气凝胶复合材料中。Yu等[14]通过定向冷冻控制冰晶的成长方向，制备了一种具有高度取向孔道结构的PI/石墨烯气凝胶复合材料。该气凝胶复合材料经单向冷冻处理后在冻结方向上形成蜂窝状孔结构，在垂直于冻结方向上形成管状孔结构，展现了有序排列的孔隙结构，进一步提升PI/石墨烯气凝胶复合材料的各向异性导电性能、电磁屏蔽和压缩性能。这种PI/石墨烯气凝胶复合材料的电磁屏蔽效能(EMI SE)高达26.1～28.8 dB，当石墨烯含量为13%时，其比效能达到1 373～1 518 dB·cm2·g-1。但是，由于石墨烯粘合强度较差，石墨烯基复合材料的力学性能仍有改进的空间。因此，Zhou等[40]将还原氧化石墨烯(rGO)、芳纶纳米纤维(ANF)和聚酰亚胺三元复合，制备了气凝胶复合材料。芳纶纳米纤维(ANF)的引入进一步改善石墨烯的分散程度，增强了还原氧化石墨烯薄片之间的粘合力，并优化气凝胶的整体结构。同时，ANF、rGO和PI三者之间大量非均匀界面增强了微波吸收中的界面极化效应。所制备的气凝胶复合材料展现出良好的介电性能、力学性能和优异的微波吸收性能，在50%应变下最大应力可达60 kPa。在10.8 GHz时，最小反射损耗达到-41.0 dB，有效吸收带宽覆盖X波段，在微波吸收涂层和柔性应变传感器方面具有广阔的应用前景。

图8 (a)PI气凝胶的SEM电镜照片；(b)MXene/PI气凝胶复合材料的反射损耗的三维示意图

与石墨烯的结构类似，MXene作为一种新型二维材料，因其优异的导电性和力学性能而备受关注。此前报道的MXene基微波吸收材料均为高密度的粉末样品，其较差的稳定性阻碍了其实际应用。Liu等[13]通过连接单个MXene纳米片与聚酰亚胺大分子来构建多功能、超弹性和轻量级的三维复合结构，所制备的气凝胶复合材料具有超弹性、可逆压缩性、机械灵活性和导电性，在9.59 GHz(3 mm)时具有优异的微波吸收性能，最大反射损耗-45.4 dB，有效吸收带宽(EAB)达到3.7 GHz(8.3～12.0 GHz)，几乎覆盖了整个X波段(图8b)。由于多孔导电网络具有良好的阻抗匹配，有利于入射电磁波的衰减，该超轻和机械柔性MXene/PI气凝胶复合材料在设计和制造新型微波吸收材料和器件方面具有广阔的应用前景。除此以外，Pu等[47]将短聚酰亚胺纳米纤维(PINF)作为交联和支撑构件，通过协同组装策略构建了一种轻质、坚固的PINF/Ti3C2TxMXene气凝胶复合材料(PINF/MA)。利用其独特的3D“层状柱”微孔结构，设计的PINF/MA气凝胶复合材料在0～8 kPa(50%应变)的压力范围内表现出优异的压阻传感性能、22.32 kPa-1的高压阻灵敏度、0.1%应变的超低检测限，以及出色的压缩/回弹稳定性(在1 500次循环后仍保持稳定)。另外，平行排列的叶脉状片层也使PINF/MA具有显著的吸波性能，在15.19 GHz时RLmin为40.45 dB，有效吸收带宽为5。该PINF/MA气凝胶复合材料是一种兼具优异压力传感和微波吸收性能的材料。

4 总结与展望

作为一种新型高分子气凝胶材料，聚酰亚胺气凝胶及其复合材料因其高比表面积、高孔隙率和丰富的结构可设计性等特点，具有优异的力学柔韧性，保温隔热和耐辐射性能，使其在保温隔热、油水分离、压力传感和电磁防护等领域具有广阔的应用前景，被视为材料领域未来发展的重要核心材料之一。未来聚酰亚胺气凝胶及其复合材料的研究需要从如下三个方面考虑：1) 关于聚酰亚胺气凝胶的微观结构与宏观性能的构效关系仍有待深入探索。未来可以将目光集中在分子动力学计算和实验研究相结合，实现从分子、原子层面揭示聚酰亚胺气凝胶材料的微观结构调控机制，揭示性能和结构之间的内在关系，实现聚酰亚胺气凝胶及其复合材料性能的优化。2) 开发新型高性能、多功能聚酰亚胺气凝胶及其复合材料。在深入理解聚酰亚胺气凝胶结构与性能关系的基础上，制备新型高性能、多功能型聚酰亚胺气凝胶材料，从而使聚酰亚胺气凝胶材料更加广泛地应用到更多领域中，创造出更多的社会价值和经济价值，是聚酰亚胺气凝胶材料未来的研究方向之一。3) 实现聚酰亚胺气凝胶材料的大规模制备。聚酰亚胺气凝胶存在着重复性较差、技术复杂等问题，限制了规模化生产，使其目前主要应用在高端领域，在民用领域方面的使用还很欠缺。在工业成本方面，制备聚酰亚胺气凝胶的成本较高，限制了其规模化应用，未来需要采用成本更加低廉的前驱体，结合成本更低的干燥手段，进一步降低聚酰亚胺气凝胶材料的成本，推动气凝胶的工业化生产。同时，在制备聚酰亚胺气凝胶过程中使用的大量有机溶剂对环境存在潜在危害，寻找更加绿色环保的制备方法至关重要。相信在不久的将来，聚酰亚胺气凝胶能够成为推动社会发展变革的超级材料，为人类的生活带来真正意义上的革新。综上，聚酰亚胺气凝胶及其复合材料仍然存在微观结构与宏观性能的构效关系探索不足、难以规模化生产、欠缺绿色环保的制备方法等问题。因此，聚酰亚胺气凝胶及其复合材料未来的发展方向应主要集中在探索聚酰亚胺气凝胶材料结构与性能的构效关系、开发新型高性能、多功能聚酰亚胺气凝胶及其复合材料、实现聚酰亚胺气凝胶及其复合材料的大规模及绿色化生产这三个方面。