陶瓷氣凝膠在隔熱領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。具有小孔徑、高孔隙率和納米顆粒互連框架的特定幾何形態(tài)賦予陶瓷氣凝膠通過固體通路和氣體分子進行有限的熱傳導。與聚合物或碳不同，陶瓷具有固有的脆性和剛性。因此，大多數(shù)現(xiàn)有的陶瓷多孔材料在沒有聚合物或碳基體作為維持物的情況下，在外部機械載荷下通常會出現(xiàn)機械強度下降、結(jié)構(gòu)坍塌和體積收縮，而這些材料在空氣中超過600°C時可能無法存在。

鑒于此，東華大學俞建勇院士、丁彬教授、斯陽研究員提出了一種簡便的策略來制備具有彈性和穩(wěn)健機械性能以及優(yōu)異隔熱性能的納米纖維-顆粒二元協(xié)同陶瓷氣凝膠。復合陶瓷氣凝膠可恢復壓縮應變高達80%的超彈性、1000次循環(huán)壓縮后塑性變形為1.2%的優(yōu)異抗疲勞性、低導熱性和良好的高溫超絕緣性能。此外，由于陶瓷材料的耐高溫性和結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性，氣凝膠在超低和超高溫度下保持彈性。

ZrO2-SiO2納米纖維-顆粒復合氣凝膠（ZNGAs）制備和結(jié)構(gòu)特征

作者使用溶膠-凝膠法和靜電絲法制備了柔性ZrO2-SiO2納米纖維膜，然后通過超聲波輔助冷凍成型工藝制造ZNGA，如圖1所示。

ZNGAs自由站立在狗尾草的稀疏針上，提供重量輕、密度低（23 mg cm–3）的復合材料，對應的孔隙率為~99.58%，顯著優(yōu)于復合氣凝膠的孔隙率。

圖1 ZNGAs的制備及結(jié)構(gòu)表征

機械性能和超彈性機理

柔性蜂窩結(jié)構(gòu)和硅溶膠基質(zhì)的強鍵合網(wǎng)絡的協(xié)同作用可以有效地提高陶瓷氣凝膠的力學性能。ZNGAs能夠承受較大的壓縮應變（80%）而不會斷裂并迅速恢復它們的原始結(jié)構(gòu)。同時，相應的應力（102 kPa）是試樣重量的60000多倍（圖2)。試樣經(jīng)受1000次壓縮循環(huán)，在第1000次循環(huán)時表現(xiàn)出1.2%的塑性變形，表明其具有堅固耐用的回彈性。ZNGA可以承受8500倍于自身重量的負載，持續(xù)時間長達24小時而沒有任何視覺坍塌。作者還在壓縮恢復過程中觀察了SEM，直至應變達到80%。結(jié)果表明，層狀多拱形蜂窩結(jié)構(gòu)結(jié)合了脆性SAG和柔性納米纖維框架之間的強界面相互作用，共同促進了穩(wěn)健的機械性能。

圖2 ZNGAs 的機械性能

熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和隔熱性能

為進一步評估ZNGAs的熱阻和機械穩(wěn)定性，在-100至500℃的寬溫度范圍內(nèi)進行了多次動態(tài)機械分析測量（圖3）。ZNGAs保持彈性并很好地保持了可逆變形水平，在-196和1100℃處理后塑性變形分別為10.4%和9.2%。此外，在ZNGAs中添加引入納米孔的SGA可使具有優(yōu)化組成的ZNGAs的熱導率降低到0.024 W m–1 K–1。ZNGAs優(yōu)異的隔熱性能歸因于納米孔的低導熱性和層狀蜂窩結(jié)構(gòu)（圖4）。

圖3 ZNGAs的熱阻和機械穩(wěn)定性

圖4 ZNGAs的熱傳輸特性