文献前沿|Adv. Funct. Mater：具有三维大变形能力的陶瓷气凝胶复合超结构用于热绝缘

随着航天、智能飞行器及极端环境防护技术的发展，对热绝缘材料在高温与复杂力学变形条件下的综合性能提出了更高要求。陶瓷气凝胶因其低密度、低热导率及优异的耐高温性能，成为高温热防护系统中最常用的材料之一。然而，其固有的脆性及有限的变形能力，严重限制了其在可变构型飞行器、可充气减速器等复杂热-力耦合环境中的应用。尤其是在应对大应变场景（如面内拉伸与面外鼓胀）时，传统陶瓷气凝胶往往难以兼顾机械柔韧性与热稳定性。本研究提出一种具有三维大变形能力的陶瓷气凝胶复合超结构（CAM），首次将可编程的Miura-ori折纸结构引入陶瓷气凝胶体系。通过柔性SiO2纤维与刚性SiO2气凝胶的协同构筑，CAM不仅实现了高达158%的单轴拉伸断裂应变和优异的循环疲劳稳定性，还展现455%面内双轴拉伸应变，以及鼓胀高度与特征尺度比高达0.94的面外大变形能力。此外，CAM展现出低热导率（0.0376 W m−1 K−1）、优异的热稳定性（耐受1200 ℃）和出色的循环疲劳性能，为拓展陶瓷气凝胶在极端变形与高温防护一体化领域的应用提供了全新路径。相关工作以Ceramic Aerogel Composite Metastructure with 3D Large Deformation for Thermal Insulation发表在Advanced Functional Materials期刊。

本研究设计并构建了引入 Miura-ori 折纸结构的陶瓷气凝胶复合超结构（CAM），并系统评估其结构构型、力学响应与热学性能。图1展示了CAM在可变构热防护场景（如DSI与IRVE）中的设计理念与三维可编程变形能力；图2详细描述了以柔性SiO2纤维为骨架、刚性SiO2气凝胶为结合点的复合材料制备流程与多尺度结构特征。图3揭示了CAM在室温与火焰环境下表现出的158%单轴拉伸应变、负泊松比效应及优异的拉伸与压缩疲劳性能。图4表征了其热导率最低为0.0376 W·m⁻¹·K⁻¹，并在高达1200 °C下保持稳定的结构与热绝缘性能。图5则验证了CAM在多维应变、火焰直烧等极端工况下的协同变形能力，表现出在未来热防护与可变构型结构中极大的应用前景。

图2.陶瓷气凝胶复合超结构的合成与微观结构表征。a)可折叠PVC基底的大变形形态；b)陶瓷气凝胶复合材料的制备工艺示意图；c)柔性SiO2纤维的扫描电镜（SEM）图像；d)陶瓷气凝胶复合材料表面随机分布结构的SEM图像；e)陶瓷气凝胶复合材料分层截面的SEM图像；f) SiO2纤维、SiO2气凝胶及陶瓷气凝胶的傅里叶变换红外光谱（FTIR）对比；g)陶瓷气凝胶复合材料的能谱（EDS）图像；h)陶瓷气凝胶复合超结构的实物照片。

图3. CAM的力学性能。a)面内拉伸与面外压缩测试过程的照片；b)不同SiO2气凝胶含量的CAM样品的单轴拉伸应力-应变曲线；c)不含Miura-ori结构、含30 wt.% SiO2气凝胶的陶瓷气凝胶复合材料的单轴拉伸应力-应变曲线；d) CAM30在不同拉伸应变下的循环拉伸测试；e) CAM30在单轴拉伸过程中表现出的负泊松比效应；f) CAM30在80%拉伸应变下进行60次循环的拉伸疲劳测试；g)不同SiO2气凝胶含量的CAM样品的面外压缩应力-应变曲线；h) CAM30在不同压缩应变下的面外压缩循环测试；i) CAM30在30%压缩应变下进行30次循环的面外压缩疲劳测试；j) CAM30在高温环境下的拉伸与压缩示意图；k) CAM30在丁烷喷枪火焰作用下的单轴拉伸应力-应变曲线，样品表面温度超过1000 °C；l) CAM30在高温下（200、400、600和800℃）随炉升温过程中的面外压缩应力-应变曲线。

图4. CAM的热绝缘性能。a) CAM在XY平面与XZ平面中的传热路径示意图；b) CAM30的热导率，蓝色标记表示室温（RT）下的热导率，红色标记表示高温（HT）下的热导率；c) SiO2纤维、SiO2气凝胶与CAM30的热重（TG）分析；d) SiO2纤维与SiO2气凝胶在1100℃热处理1小时后的X射线衍射（XRD）分析；e) CAM30的背面温度红外热像图。

图5. CAM的协同变形性能。a)面内变形：CAM在室温下的双轴拉伸变形；b)面外变形：CAM在室温下的鼓胀变形；c)面内变形：CAM在丁烷喷枪火焰作用下的双轴拉伸变形；d)面外变形：CAM在丁烷喷枪火焰作用下的鼓胀变形；e) CAM顶部破坏实验的载荷-位移曲线；f)拱形结构下CAM的承载能力表现；g)可收缩与可展开状态间的自由切换示意；h) CAM实现720°扭转和90°双面弯折；i)用作夹层结构的可变形蒙皮设计；j) CAM与其他已有可拉伸陶瓷气凝胶在热学与力学性能上的对比。

小结：本研究首次将折纸结构理念引入陶瓷气凝胶设计，构建了兼具柔性、刚性、热稳定性与三维大变形能力的复合超结构材料（CAM）。该材料不仅在常温下实现了455%的面内应变与0.94比例的面外鼓胀，而且在1200 ℃以上依然保持结构完整性与变形能力，具备出色的热绝缘与疲劳稳定性。相比传统陶瓷气凝胶，CAM在形变能力与适应极端环境方面取得突破，展现出其在变体飞行器热防护系统、可充气再入器、极端作业服等领域的广阔应用前景。

论文信息: B. Shi, Y. Qin, Z. Zhou, Y. Chen, Y. Zhang, D. Guo, N. Zhou, L. Wang, B. Xu, Ceramic Aerogel Composite Metastructure with 3D Large Deformation for Thermal Insulation. Adv. Funct. Mater. 2025, e12480.

https://doi.org/10.1002/adfm.202512480

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