哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木學(xué)院李惠和徐翔教授在陶瓷氣凝膠隔熱領(lǐng)域取得重要研究成果，該論文于北京時間6月29日晚，以《半晶質(zhì)陶瓷氣凝膠極端隔熱材料》（Hypocrystalline ceramic aerogels for thermal insulation at extreme conditions）為題發(fā)表在Nature（最新影響因子為69.504）上。
論文鏈接https://www.nature.com/articles/s41586-022-04784-0
該研究為是兩位教授2019年發(fā)表于Science的成果《雙負陶瓷氣凝膠超隔熱材料》之后的延申研究，對滿足我國航天等領(lǐng)域在極端、復(fù)雜服役條件下的隔熱保溫、減重增容、節(jié)能降耗、系統(tǒng)安全和性能穩(wěn)定，具有重要的科學(xué)意義和實用價值。
極端條件（例如深空和深地等環(huán)境中復(fù)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(yōu)異的熱-力學(xué)特性和隔熱性能。傳統(tǒng)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(tài)增韌的同時引發(fā)高溫析晶粉化，低熱膨脹效應(yīng)受困于結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型和力學(xué)特性，力熱協(xié)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(huán)境熱控制需求。
鑒于此，該論文報道了一種氣凝膠多尺度超結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備方法，采用半晶質(zhì)（hypocrystalline）陶瓷材料設(shè)計結(jié)合zig-zag宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)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(guī)物理性質(zhì)，從而獲得了輕質(zhì)超柔韌、高熱穩(wěn)定性及高溫超隔熱等特性。
同時，研究團隊創(chuàng)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(tǒng)靜電紡絲制備二維膜材料的束縛，為實現(xiàn)材料的多尺度超結(jié)構(gòu)設(shè)計、高性能、大規(guī)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(fù)壓縮應(yīng)變高達95%，兼具優(yōu)異的拉伸（斷裂應(yīng)變>40%）和彎曲（彎曲應(yīng)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(zhì)陶瓷對碳展現(xiàn)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(xiàn)了“低密度”陶瓷氣凝膠目前最低高溫導(dǎo)熱系數(shù)（20mg/cm3、1000℃下小于100mW/mK），彌補了輕質(zhì)氣凝膠材料在高溫隔熱領(lǐng)域的短板。該材料同時具備電容式自感知特性，可實時監(jiān)測隔熱材料的結(jié)構(gòu)損傷，進一步增強了熱控制系統(tǒng)的安全可靠性。
