气凝胶材料通常是指以纳米级颗粒或聚合物分子链相互聚集形成纳米多孔结构，在纳米孔洞中充满气态分散介质的三维多孔轻质固体材料。气凝胶材料具备低密度、高比表面积、高孔隙率和孔体积等结构特性，使其具有耐高温、低热导率、低折射率和低声传播速度等特殊的光、热、声、电性能，进而在隔热保温、吸附分离、生物医用、光电催化、储能转化、吸声隔音及高能粒子捕获等诸多领域有着广阔的应用前景，吸引了科研、生产、设计等领域的广泛关注，成为当前材料科学的重点研究领域之一。
陶瓷气凝胶因其超轻、耐火、耐腐蚀、耐高温等特性，非常适合用作航空航天领域的隔热材料。然而，由于其固有的脆性和高温析晶行为，导致其在大的热量梯度或者长期的高温暴露中表现出强度下降甚至结构坍塌等严重问题。因此，强大的力学稳定性和热稳定性是在极端条件下使用陶瓷气凝胶实现可靠隔热的重要前提。
近日，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。该研究成果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。
半晶质双零陶瓷气凝胶超弹及高温隔热性能
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。
早在2019年，该团队与兰州大学、美国加州大学洛杉矶分校、加州大学伯克利分校等高校研究人员共同合成出米层状结构的双曲线结构陶瓷气凝胶，该材料可以极大增强传统陶瓷气凝胶材料的各项性能。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04784-0
