西安交通大学王红洁、苏磊《自然·通讯》：新型陶瓷气凝胶实现高强度与超弹性协同

在航空航天、能源存储和热防护系统等领域，陶瓷气凝胶因其超低密度、高热稳定性和化学惰性而备受青睐。然而，这些材料在实际应用中常面临机械强度不足的挑战，尽管通过多尺度结构设计改善了弹性，但大多数陶瓷气凝胶的压缩强度仅介于几千帕至几百千帕之间，远未达到极端环境下的要求。如何同时实现高强度和弹性，成为制约其发展的关键瓶颈。

近日，西安交通大学王红洁教授、苏磊特聘研究员课题组提出了一种创新解决方案。通过设计由热解碳和无定形二氧化硅组成的双相节点增强碳化硅纳米线气凝胶，研究人员成功打破了强度与弹性之间的传统权衡。实验测量结合大规模原子/分子并行模拟器与有限元模拟表明，无定形二氧化硅能均匀分布应力以提高负载效率，而热解碳则缓解局部应力集中并防止二氧化硅过早断裂，产生协同效应。所得气凝胶在80%应变下压缩强度高达10.9 MPa，弹性恢复率约90%，为陶瓷气凝胶在高温、低氧和真空等极端条件下的应用开辟了新途径。相关论文以“Strong yet superelastic ceramic aerogel enabled by synergistic soft-hard inter-nanowire nodes”为题，发表在

Nature Communications

研究团队首先通过热压工艺增加纳米线之间的交联密度，制备了高交联碳化硅纳米线气凝胶。随后，通过氧化处理在纳米线表面形成无定形二氧化硅层，再经化学气相渗透引入热解碳涂层，最终构建了具有“软-硬”双相节点的气凝胶结构。扫描电子显微镜和透射电子显微镜图像显示，纳米线之间形成了紧密的连接，能谱映射证实了二氧化硅和热解碳涂层的均匀分布，高分辨率图像进一步揭示了各层之间的紧密结合。

图1：具有双相节点设计的高度交联纳米线气凝胶的设计和微观结构特征示意图。 a 具有“软-硬”双相节点的高度交联层状陶瓷纳米线气凝胶的设计。b 气凝胶的SEM图像，描绘了气凝胶内纳米线的高度交联特征（代表三个独立样品，n=3）。c 两个相互键合纳米线的TEM图像，以及d 相应的Si、O和C的EDS元素映射（代表三个独立测量，n=3）。红色、蓝色和绿色对比分别对应Si、O和C信号；替代颜色方案产生相同的元素分布。比例尺，200纳米。e 高分辨率TEM图像，显示SiC纳米线表面上的双相SiO₂/PyC涂层（代表三个独立观察，n=3）。

在机械性能测试中，不同节点组成的气凝胶表现出显著差异。仅含热解碳节点的气凝胶具有最高的弹性恢复率（91%），但强度最低；仅含二氧化硅节点的气凝胶强度提高了五倍，但弹性恢复率降至40%。而双相节点气凝胶则实现了强度与弹性的完美平衡，压缩强度达10.9 MPa，弹性恢复率约90%，其模量和能量损失系数也优于其他类型。Ashby图分析表明，该材料在强度和弹性方面均超越了多数已报道的弹性陶瓷、碳基和石墨烯气凝胶。

图2：不同节点纳米线气凝胶的机械行为。 a HC-SiC@PyC NWA、b HC-SiC@SiO₂ NWA、c HC-SiC@(SiO₂/PyC) NWA的压缩应力-应变曲线。插图显示压缩-恢复过程中的样品光学图像。d 不同节点气凝胶在80%应变下的恢复率和最大应力。e 不同节点气凝胶的压缩模量和能量损失系数。f 弹性无机气凝胶的极限应力与最大可恢复应变的Ashby图。

为了揭示其背后的机制，研究人员进行了多尺度模拟。分子动力学模拟显示，在单根纳米线弯曲过程中，二氧化硅涂层导致碳化硅芯部应力分布不均，易引发脆性断裂；热解碳涂层则能吸收和重新分布变形，保护芯部但限制其负载贡献。而双相涂层模型使应力分布更均匀，同时激活了芯部的负载能力。有限元模拟进一步证实，双相节点网络在压缩下应力分布更均匀，并展现出更高的结构恢复性，卸载后残余变形最小。

图3：单根纳米线与纳米线网络的模拟分析。 a 使用LAMMPS模拟的具有不同涂层的单根纳米线在弯曲下的Von Mises应力云图。b 在50%压缩应变下，不同节点/涂层的纳米线气凝胶的Von Mises应力分布的有限元模拟。三种设计之间在应力局部化和分布模式上观察到明显差异。c 三种纳米线网络在压缩和卸载过程中侧视横截面的Von Mises应力演变。与SiO₂或PyC节点设计相比，SiO₂/PyC节点设计显示出更均匀的应力分布和更好的结构恢复性。

动态机械分析测试表明，双相节点气凝胶在0.1-80 Hz频率范围和-120°C至300°C温度窗口内保持稳定的粘弹性性能。其存储模量最高，损失模量最低，表明该结构能有效平衡能量存储与耗散。在50 Hz频率下进行10万次加载循环后，性能仍保持稳定，证明了优异的疲劳抵抗能力。

图4：纳米线气凝胶的动态机械性能。 a 存储模量、b 损失模量和c 阻尼比随频率的变化。d 存储模量和e 损失模量随温度的变化。f 疲劳测试显示在100,000次循环后的稳定性。

综上所述，这种基于协同软-硬双相节点的设计策略，不仅解决了陶瓷气凝胶强度与弹性之间的长期矛盾，还为其在热防护系统、减振绝缘体和高温航空航天组件等领域的应用提供了可靠材料。未来，该研究有望推动陶瓷气凝胶在极端环境下的更广泛应用，实现机械鲁棒性与能效的双重提升。