可承受1300℃高温，轻质、柔性和可赋形的陶瓷气凝胶材料

根据3D科学谷的市场研究，2020年发表在订刊Nature中的研究成果揭示了微型二氧化硅气凝胶制造技术取得的突破性进展。来自瑞士国家联邦实验室（Empa）的研究团队展示了如何通过墨水直写3D打印技术实现二氧化硅气凝胶材料的高精度制造。该技术为众多高科技行业的隔热应用打开了新的可能性，例如微电子、机器人技术、生物技术和传感器技术。3D打印技术使得多层/多材料组合的生产更加可靠和可重复，也是的新型气凝胶精细结构的制造具有可行性。

▲3D科学谷白皮书

二氧化硅气凝胶材料的一个性能是脆性，由于脆性易导致断裂行为，因此难以从较大的气凝胶块中分割成小块，而通过小型模具直接固化凝胶的技术废品率高。这些是导致二氧化硅气凝胶材料几乎不能实现小型应用的主要原因。

近期，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦研究员和胡东梅研究员针对开发可广泛应用于极端环境下可连续化批量制备的轻质、柔性、耐极端高温、可赋性的陶瓷气凝胶热管理材料取得最新进展。虽然该研究是否采用了3D打印技术还未知，然而国内在陶瓷气凝胶热管理材料的这一突破使得3D打印技术的未来应用更具有想象空间。

▲论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202309148

全文概述

01

背景介绍

航空航天、建筑和人类日常生活中极端环境是普遍存在的，因此开发有效的热管理解决方案是非常有必要的。为了应对这一挑战，人们开发了各种隔热材料，包括玻璃纤维，木材，硅酸盐，泡沫，真空隔热板(VIP)和气凝胶等系列材料。气凝胶已成为最有前途的绝缘材料，由于其具有大孔隙体积和孔隙率的高多孔结构，因此具有超低导热性和超低密度。二氧化硅和氧化铝气凝胶是几十年前开发出来的，由于其特殊的防火和耐高温性能，在航空航天和建筑中得到了极大的关注和应用。然而，这些无机氧化物气凝胶具有固有的脆性和易受极高温度(EHT)的影响，限制了它们的实际应用。为了克服这些挑战，人们进行了大量的研究，以提高极高温（EHT）环境下气凝胶的热稳定性和机械性能。尽管一些陶瓷气凝胶具有耐高温(1300 - 1600℃)和优异的隔热性能，但它们可能不完全符合受保护的基板，限制了它们在极端环境中的应用潜力。因此，耐高温性、超保温性、机械稳健性和高柔韧性仍然是陶瓷气凝胶在恶劣环境中实际应用的关键挑战。

02

成果掠影

该文中提出了一种可连续批量化的方法合成具有柔性，轻质和可赋形的氧化硅-氧化铝复合陶瓷气凝胶(FR-SACA)。该方法通过使用自我牺牲聚合物重新排列二氧化硅气凝胶微粒和莫来石陶瓷纤维来实现，形成类似鸟巢结构的交叉互扣的增强结构的FRSACA。柔性氧化硅-氧化铝陶瓷杂化气凝胶（SACA）具有优异的性能，包括0.01 g/cm3的超低密度，0.029 W/mK的低导热率和高达80%的可逆压缩率。值得注意的是，20mm厚的FR-SACA在直接暴露于1300°C火焰时，温度降低1179.6°C，这表明它有可能成为高温环境下的热管理材料。此外，SACA的可变形性使其能够在具有各种异型结构的表面上进行原位制造，例如平面、弯曲和倾斜形状，从而为各种结构提供应用的可能。凤凰涅槃工艺为合成具有理想灵活性和适应性的陶瓷气凝胶开辟了新的可能性，有助于在极端条件下进行有效的热管理。 研究成果以“Flexible and Transformable Ceramic Aerogels via a Fire-Reborn Strategy for Thermal Superinsulation in Extreme Conditions”为题发表于《Advanced Functional Materials》。

03

图文导读

▲图1.图1.SACA和FR - SACA的制备及光学照片。

▲图2.普通复合薄膜的燃烧过程、凤凰涅槃燃烧过程及其机理示意图。

▲图3.SACA和FR - SACA的结构表征。

▲图4. SACA 和 FR - SACA 的物理性能表征 。

▲图5.FR-SACAs的高温隔热性能。

▲图6.FR-SACA隔热防火涂料在实际应用中的燃烧实验和隔热机理。

单位信息

“中国科学院多功能材料与轻巧系统重点实验室”依托中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，成立于2018年11月28日。实验室以超性能/多功能纳米材料为单元、以仿生设计原理为指导、以跨尺度微纳精准组装与加工为手段，用轻质材料和微小器件，并实现其在轻巧系统的集成应用，形成我国在轻量化领域的学科优势。实验室布局的轻柔智能防护技术以及仿生集群与协同控制已成为研究所十四五智能可穿戴技术的主攻方向。实验室目前组建了一支以中青年骨干和硕博士研究生为主的，有深厚理论基础的多学科交叉研究团队。其中中科院人才引进9人，江苏省双创人才9人，研究生65名。

来源 | Advanced Functional Materials

原文 | https://doi.org/10.1002/adfm.202309148

主要作者简介

王锦

王锦研究员为该文通讯作者，2019年度纳米所优青获得者，2020年度江苏省“双创计划”科技副总。2007年于青岛大学获学士学位；2012年3月于北京理工大学获博士学位；2012年4月-2014年1月分别在日本东京工业大学和山形大学进行博士后研究；2014年2月加入中科院苏州纳米所，任副研究员、项目研究员，硕士生和博士生导师。长期以来，一直从事高分子化学与物理、超分子化学、凝胶与气凝胶设计合成及其自适应热管理研究。

胡冬梅

胡冬梅研究员为该文的通讯作者，现任苏州纳米所高技术处副处长，轻量化实验室特种防护方向负责人。主要从事碳纳米管结构组装与性能调控、碳纳米管复合与界面等方面的研究工作，发展碳纳米管复合材料在轻质多功能力、电磁防护领域的应用。

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