第一作者：Zhen Xu

通訊作者：丁彬，劉一濤

通訊單位：東華大學(xué)

丁彬，教授，博士生導(dǎo)師。東華大學(xué)科研院院長，教育部“長江學(xué)者”特聘教授、國家“萬人計(jì)劃”領(lǐng)軍人才、愛思唯爾中國高被引學(xué)者。主要研究方向：微納米纖維材料的成型理論和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在功能服裝、環(huán)境保護(hù)、柔性能源、生物醫(yī)用、食品安全、土工建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用。（信息來源：https://ictst.dhu.edu.cn/2018/0329/c12891a192912/page.htm）

劉一濤，東華大學(xué)研究員，博士生導(dǎo)師，2018年9月起任職于東華大學(xué)。主要研究方向：無機(jī)納米纖維基柔性能源及催化材料。以課題負(fù)責(zé)人的身份主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、東華大學(xué)“勵(lì)志計(jì)劃”等項(xiàng)目。（信息來源：https://ictst.dhu.edu.cn/2020/0413/c12891a239617/page.htm）

論文速覽

極端條件下的隔熱要求材料能夠承受復(fù)雜的熱機(jī)械應(yīng)力、顯著的溫度梯度轉(zhuǎn)變和高頻熱沖擊。陶瓷氣凝膠優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和功能特性使其在隔熱方面具有吸引力。然而，在極端高溫環(huán)境下（高于1500°C），它們通常表現(xiàn)出有限的絕緣能力和熱機(jī)械穩(wěn)定性，這可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故，而這一問題從未得到有效解決。

本研究針對(duì)極端條件下的熱絕緣需求，開發(fā)了新型的陶瓷超隔熱氣凝膠。這種材料能夠在高達(dá)1700°C的高溫環(huán)境中保持出色的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和隔熱性能。研究設(shè)計(jì)的陶瓷超隔熱氣凝膠通過反應(yīng)靜電紡絲策略構(gòu)建的交聯(lián)納米纖維網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了在極端條件下的卓越熱機(jī)械穩(wěn)定性和超隔熱性能。該陶瓷超隔熱氣凝膠具有超低的熱導(dǎo)率0.027 W m^–1 k^–1，在1700°C的高溫環(huán)境中，冷表面溫度僅為303°C。即使在從液氮到1700°C火焰的顯著溫度梯度轉(zhuǎn)換后，該氣凝膠仍能承受數(shù)千次的剪切、彎曲、壓縮等復(fù)雜形式的機(jī)械作用而不發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌。

圖文導(dǎo)讀

圖1：具有聚合物類似屬性的高活性無機(jī)長鏈結(jié)構(gòu)，以及通過反應(yīng)電紡絲制備交聯(lián)納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的陶瓷納米纖維膜的制備過程。

圖2：前驅(qū)無機(jī)溶膠的特性，以及如何通過優(yōu)化電紡絲工藝來增加交聯(lián)點(diǎn)，從而增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。

圖3：陶瓷超隔熱氣凝膠在室溫和經(jīng)歷顯著溫度梯度轉(zhuǎn)換后的壓縮、屈曲和剪切性能，以及在高頻振動(dòng)下的抗力。

圖4：陶瓷超隔熱氣凝膠的隔熱機(jī)理，不同SiO₂納米顆粒氣凝膠摻雜后的熱導(dǎo)率，以及在1700°C下的隔熱性能和熱沖擊后的微觀結(jié)構(gòu)。

總結(jié)展望

本研究開發(fā)的陶瓷超隔熱氣凝膠在極端高溫環(huán)境下展現(xiàn)出了卓越的熱保護(hù)性能，預(yù)期將成為制備長期可靠的熱防護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵材料。該材料的二元協(xié)同結(jié)構(gòu)由納米纖維和納米顆粒氣凝膠組成，提供了超隔熱性能，而交聯(lián)的納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予了材料在寬溫度區(qū)間內(nèi)長期使用的出色結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

本研究深入描述了陶瓷超隔熱氣凝膠的設(shè)計(jì)原則和應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變環(huán)境的邏輯，為制備極端高溫環(huán)境下的熱絕緣材料提供了參考和新的理論見解。所用原材料價(jià)格低廉，工藝簡單。如果能解決批量制備過程中硅氣凝膠顆粒的均勻加載問題，有望實(shí)現(xiàn)陶瓷超隔熱氣凝膠的工業(yè)化。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Ceramic Meta-Aerogel with Thermal Superinsulation up to 1700 °C Constructed by Self-Crosslinked Nanofibrous Network via Reaction Electrospinning

期刊：Advanced Materials

DOI：10.1002/adma.202401299