《Materials Today》：基于多尺度結構設計的雙負指數陶瓷氣凝膠，實現極端環境下的超熱絕緣

唯一第一作者兼共同通訊作者：龍鑫（Xin Long），電子科技大學長三角研究院（衢州）

共同通訊作者：廖家軒（Jiaxuan Liao），電子科技大學，電子科技大學長三角研究院（衢州）

第一完成單位：電子科技大學長三角研究院（衢州）

背景介紹

在航空航天、深空探測、核能利用及高超聲速飛行器等極端環境中，熱防護材料需要同時滿足超低熱導率、優異力學柔韌性、高熱穩定性和長期服役可靠性等多重嚴苛要求。陶瓷氣凝膠憑借其超低密度、高孔隙率和本征耐高溫特性，被視為極具潛力的熱絕緣材料。然而，傳統陶瓷氣凝膠面臨三大核心瓶頸：其一，由零維納米顆粒構筑的骨架結構本征脆性大，難以抵抗復雜機械載荷；其二，在高溫下熱輻射傳熱急劇增強，導致熱導率飆升（通常超過200 mW/(m·K)）；其三，長期高溫暴露或劇烈熱沖擊下易發生結構退化與強度衰減。如何在同一材料體系中同時實現優異的力學柔韌性、熱機械穩定性與超低高溫熱導率，是當前陶瓷氣凝膠領域亟待突破的關鍵科學難題。

文章亮點

近日，電子科技大學長三角研究院（衢州）博士后龍鑫和電子科技大學廖家軒教授（共同通訊作者）在Elsevier出版社材料學旗艦期刊Materials Today上發表重要研究成果，報道了一種具有雙負指數（負泊松比與負熱膨脹系數）特性的多尺度結構陶瓷氣凝膠（SCAs）。該材料通過將葉脈狀納米結構、燕尾榫微米結構與宏觀多折疊結構跨尺度協同設計，首次在單一陶瓷氣凝膠中實現了負泊松比與負熱膨脹系數的耦合，從根本上突破了傳統氣凝膠的力學與熱學性能局限。

圖1. SCAs多尺度結構設計

通過精確控制的模板復制與交替沉積工藝，構建了“5層SiO2納米膜夾層4層碳納米纖維”的復合結構，隨后結合機械軋制與惰性氣氛熱處理，最終獲得具有宏觀多折疊、微觀燕尾榫、納觀葉脈狀三級結構特征的氣凝膠材料。該材料展現出優異的可設計性與尺寸可擴展性，可通過簡單更換模具實現不同形狀的大尺寸制備。

圖2. SCAs微觀結構表征研究

得益于燕尾榫結構在壓縮時誘導的穩定負泊松比響應以及碳納米纖維對SiO2納米膜的有效增強，SCAs在95%壓縮應變下仍能完全回彈。在70%應變下進行10000次循環加載-卸載后，殘余應力低于12.5%，殘余應變僅0.5%，能量損耗系數穩定在0.407，展現出卓越的抗疲勞性能。此外，該材料在50%拉伸應變下循環1000次后殘余應力率僅11.4%，并可承受90°彎曲與360°扭轉而無結構破壞，其力學適應性遠超現有陶瓷氣凝膠。

圖3. SCAs力學性能研究

燕尾榫結構與宏觀多折疊結構的協同作用賦予了SCAs負熱膨脹行為。在25-200 ℃范圍內，負熱膨脹系數達-5.38×10-6/℃。在劇烈的熱沖擊測試中（溫度在1000 ℃與-198 ℃之間快速交替，變溫速率約300-500 ℃/s），經過1000次循環后，材料微觀結構、最大應力與彈性壓縮性能均無明顯變化，充分證明了其優異的熱機械穩定性。

圖4. SCAs熱學性能與熱機械穩定性研究

得益于SiO2納米膜的二維結構單元對氣體對流碰撞的有效抑制，SCAs在室溫下熱導率低至18.32±0.91 mW/(m·K)，優于了靜態空氣（25 mW/(m·K)）。通過原位生長的碳納米纖維顯著增強了紅外吸收效率，在1000 ℃時熱導率僅94±4.7 mW/(m·K)，遠低于大多數已報道陶瓷氣凝膠（通常>200 mW/(m·K)）。在600 ℃熱臺上，20 mm高樣品頂部溫度僅73.2±3.6 ℃；在5 mm厚樣品經受丁烷火焰持續灼燒5 min后，背面溫度僅58.2±2.9 ℃，屬于人體可接觸溫度范圍。該材料最高可耐受1300 ℃高溫，是目前陶瓷氣凝膠領域的最高應用溫度之一。

總結與展望

本研究通過跨尺度結構設計，在陶瓷氣凝膠中實現了負泊松比與負熱膨脹系數的協同耦合，成功解決了傳統陶瓷氣凝膠在力學柔韌性、熱機械穩定性與高溫熱絕緣性能之間的固有矛盾。該材料在95%壓縮應變下完全回彈、10000次循環疲勞測試后性能穩定、1000 ℃下熱導率低至94 mW/(m·K)，并在劇烈熱沖擊與長期高溫暴露后保持結構完整，為極端環境下的可靠熱防護提供了極具前景的材料解決方案。該制備路線兼容現有工業制造平臺，展現出良好的規?；瘧脻摿?。

通訊作者信息：

龍鑫博士后
龍鑫，2024年博士畢業于電子科技大學，現為電子科技大學長三角研究院（衢州）在站博士后，研究方向為“陶瓷氣凝膠的多級結構構筑及其力-熱性能協同增強研究”。以唯一第一作者身份（部分兼任共同通訊作者）在Mater. Today、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.等期刊上發表SCI論文15篇，共授權發明專利2項，受理發明專利5項。曾獲博士國家獎學金、四川省博士優秀畢業生、電子科技大學學術新秀獎、電子科技大學優秀畢業生等獎勵和榮譽稱號?，F主持浙江省博士后基金（一等資助）和衢州市科創項目各1項，作為主要研究人員參與了國家自然科學基金、四川省重點研發等10余項項目的研究工作。中央教育電視臺1頻道對作者的部分科研成果進行報道。

廖家軒教授

廖家軒，2001博士畢業于哈爾濱工業大學，現任電子科技大學教授，博士生導師。長期從事電子材料與元器件、新能源材料與器件以及氣凝膠等研究工作。在Adv. Mater.、Mater. Today、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.、ACS Energy Lett.等期刊上發表論文150余篇，2018年來每年平均2~3篇ESI高被引論文，他引2000余次，授權發明專利40余項。主持及參與國家自然科學基金、國家863、973計劃等科研項目30余項，其中主持和主研20余項。參加中國化工學會、中國微米納米技術學會及中國電子信息材料專委會等，進入國家自然科學基金委、博士后基金會、教育部、河北省、重慶市、四川省、成都市及各州市等科技專家庫，受聘教育部學位中心評審專家、成都市節能環保領域專家及成都市經信局新型顯示/光電顯示領域專家等。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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