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哈工大重磅《Nature》：輕質超柔韌、高熱穩定性及高溫超隔熱在陶瓷氣凝膠！

2022-07-01 14:15:00 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

日前，哈爾濱工業大學土木學院李惠和徐翔教授在陶瓷氣凝膠隔熱領域取得重要研究成果。北京時間6月29日晚，研究論文以《半晶質陶瓷氣凝膠極端隔熱材料》（Hypocrystalline ceramic aerogels for thermal insulation at extreme conditions）為題發表在《自然》（Nature，2022年影響因子為69.504）上。李惠、徐翔教授和加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授為共同通訊作者，博士生郭靖然、付樹彬和鄧遠芃為共同第一作者，哈工大為第一單位和通訊單位。

論文鏈接：

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

極端條件（例如深空和深地等環境中復雜機械載荷和劇烈溫度變化）下的熱控制，要求隔熱材料具備優異的熱-力學特性和隔熱性能。傳統陶瓷氣凝膠超隔熱材料存在困擾其近百年的“力熱互斥”瓶頸難題，例如陶瓷無定形態增韌的同時引發高溫析晶粉化，低熱膨脹效應受困于結構幾何構型和力學特性，力熱協同增強的同時犧牲隔熱性能，以及低密度降低聲子傳熱的同時無法有效阻隔高溫熱輻射等，難以滿足實際極端環境熱控制需求。

鑒于此，本文報道了一種氣凝膠多尺度超結構設計和制備方法，采用半晶質（hypocrystalline）陶瓷材料設計結合zig-zag宏觀結構設計，賦予陶瓷氣凝膠近零泊松比（3.3×10-4）和近零熱膨脹（1.2×10-7/℃）的“雙零”反常規物理性質，從而獲得了輕質超柔韌、高熱穩定性及高溫超隔熱等特性。

同時，研究團隊創新提出了一種“氣體湍流”輔助靜電紡絲直接制備三維納米纖維陶瓷氣凝膠的方法，拓展了傳統靜電紡絲制備二維膜材料的束縛，為實現材料的多尺度超結構設計、高性能、大規模及低成本制備提供了新思路和新方法。該材料彈性可恢復壓縮應變高達95%，兼具優異的拉伸（斷裂應變>40%）和彎曲（彎曲應變>90%）變形能力；1萬次高頻劇烈熱震（約200℃/s）以及長期高溫（>1000℃）有氧暴露下強度損失及體積收縮幾乎為零；此外，半晶質陶瓷對碳展現了更強的包覆能力，提高了碳材料的高溫抗氧化性能，從而有效阻隔了高溫熱輻射，實現了“低密度”陶瓷氣凝膠目前最低高溫導熱系數（20mg/cm3、1000℃下小于100mW/mK），彌補了輕質氣凝膠材料在高溫隔熱領域的短板。該材料同時具備電容式自感知特性，可實時監測隔熱材料的結構損傷，進一步增強了熱控制系統的安全可靠性。

圖一、亞晶陶瓷納米纖維氣凝膠的多尺度設計

圖二、渦流場輔助-靜電紡絲及ZAGs制備工藝圖示

圖三、ZAGs力學性能表征

對于熱穩定性的研究，考慮到次晶鋯固有的高抗氧化性和熱穩定，研究重點放在ZAG熱膨脹系數上。研究結果表明，ZAG的熱膨脹系數在200°C以下為1.2×10 -7 ?°C -1，溫度升高至400°C以上仍只有1.6×10 -7 ?°C -1，這個接近零的熱膨脹系數可以減少纖維之間的應變失配，并阻止已經連接良好的纖維的分離和分解。同時，采用自制的氣動熱沖擊測試系統測量了ZAG在快速熱沖擊和高溫下的熱穩定性。樣品在 10,000 次熱沖擊循環后保持其原始形態，極限應力幾乎保持不變，強度退化幾乎不超過 1%，說明具有出色的結構穩定性和對劇烈溫度循環的抗性。

圖四、ZAGs的熱穩定性及隔熱性能

該研究為徐翔和李惠教授2019年發表于《科學》（Science, 2019, 363, 723-727）的文章《雙負陶瓷氣凝膠超隔熱材料》的延伸工作，得到了國家自然科學基金創新研究群體和面上項目、黑龍江省頭雁行動人才計劃和哈工大青年拔尖教授計劃等項目的支持，成果對滿足我國航天等領域在極端、復雜服役條件下的隔熱保溫、減重增容、節能降耗、系統安全和性能穩定，具有重要的科學意義和實用價值。

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