哈工大重磅《Nature》：轻质超柔韧、高热稳定性及高温超隔热在陶瓷气凝胶！

2022-07-01 14:15:00 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

日前，哈尔滨工业大学土木学院李惠和徐翔教授在陶瓷气凝胶隔热领域取得重要研究成果。北京时间6月29日晚，研究论文以《半晶质陶瓷气凝胶极端隔热材料》（Hypocrystalline ceramic aerogels for thermal insulation at extreme conditions）为题发表在《自然》（Nature，2022年影响因子为69.504）上。李惠、徐翔教授和加州大学洛杉矶分校段镶锋教授为共同通讯作者，博士生郭靖然、付树彬和邓远芃为共同第一作者，哈工大为第一单位和通讯单位。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04784-0

极端条件（例如深空和深地等环境中复杂机械载荷和剧烈温度变化）下的热控制，要求隔热材料具备优异的热-力学特性和隔热性能。传统陶瓷气凝胶超隔热材料存在困扰其近百年的“力热互斥”瓶颈难题，例如陶瓷无定形态增韧的同时引发高温析晶粉化，低热膨胀效应受困于结构几何构型和力学特性，力热协同增强的同时牺牲隔热性能，以及低密度降低声子传热的同时无法有效阻隔高温热辐射等，难以满足实际极端环境热控制需求。

鉴于此，本文报道了一种气凝胶多尺度超结构设计和制备方法，采用半晶质（hypocrystalline）陶瓷材料设计结合zig-zag宏观结构设计，赋予陶瓷气凝胶近零泊松比（3.3×10-4）和近零热膨胀（1.2×10-7/℃）的“双零”反常规物理性质，从而获得了轻质超柔韧、高热稳定性及高温超隔热等特性。

同时，研究团队创新提出了一种“气体湍流”辅助静电纺丝直接制备三维纳米纤维陶瓷气凝胶的方法，拓展了传统静电纺丝制备二维膜材料的束缚，为实现材料的多尺度超结构设计、高性能、大规模及低成本制备提供了新思路和新方法。该材料弹性可恢复压缩应变高达95%，兼具优异的拉伸（断裂应变>40%）和弯曲（弯曲应变>90%）变形能力；1万次高频剧烈热震（约200℃/s）以及长期高温（>1000℃）有氧暴露下强度损失及体积收缩几乎为零；此外，半晶质陶瓷对碳展现了更强的包覆能力，提高了碳材料的高温抗氧化性能，从而有效阻隔了高温热辐射，实现了“低密度”陶瓷气凝胶目前最低高温导热系数（20mg/cm3、1000℃下小于100mW/mK），弥补了轻质气凝胶材料在高温隔热领域的短板。该材料同时具备电容式自感知特性，可实时监测隔热材料的结构损伤，进一步增强了热控制系统的安全可靠性。

图一、亚晶陶瓷纳米纤维气凝胶的多尺度设计

图二、涡流场辅助-静电纺丝及ZAGs制备工艺图示

图三、ZAGs力学性能表征

对于热稳定性的研究，考虑到次晶锆固有的高抗氧化性和热稳定，研究重点放在ZAG热膨胀系数上。研究结果表明，ZAG的热膨胀系数在200°C以下为1.2×10 -7 ?°C -1，温度升高至400°C以上仍只有1.6×10 -7 ?°C -1，这个接近零的热膨胀系数可以减少纤维之间的应变失配，并阻止已经连接良好的纤维的分离和分解。同时，采用自制的气动热冲击测试系统测量了ZAG在快速热冲击和高温下的热稳定性。样品在 10,000 次热冲击循环后保持其原始形态，极限应力几乎保持不变，强度退化几乎不超过 1%，说明具有出色的结构稳定性和对剧烈温度循环的抗性。

图四、ZAGs的热稳定性及隔热性能

该研究为徐翔和李惠教授2019年发表于《科学》（Science, 2019, 363, 723-727）的文章《双负陶瓷气凝胶超隔热材料》的延伸工作，得到了国家自然科学基金创新研究群体和面上项目、黑龙江省头雁行动人才计划和哈工大青年拔尖教授计划等项目的支持，成果对满足我国航天等领域在极端、复杂服役条件下的隔热保温、减重增容、节能降耗、系统安全和性能稳定，具有重要的科学意义和实用价值。

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