《Materials Today》：基于多尺度结构设计的双负指数陶瓷气凝胶，实现极端环境下的超热绝缘

唯一第一作者兼共同通讯作者：龙鑫（Xin Long），电子科技大学长三角研究院（衢州）

共同通讯作者：廖家轩（Jiaxuan Liao），电子科技大学，电子科技大学长三角研究院（衢州）

第一完成单位：电子科技大学长三角研究院（衢州）

背景介绍

在航空航天、深空探测、核能利用及高超声速飞行器等极端环境中，热防护材料需要同时满足超低热导率、优异力学柔韧性、高热稳定性和长期服役可靠性等多重严苛要求。陶瓷气凝胶凭借其超低密度、高孔隙率和本征耐高温特性，被视为极具潜力的热绝缘材料。然而，传统陶瓷气凝胶面临三大核心瓶颈：其一，由零维纳米颗粒构筑的骨架结构本征脆性大，难以抵抗复杂机械载荷；其二，在高温下热辐射传热急剧增强，导致热导率飙升（通常超过200 mW/(m·K)）；其三，长期高温暴露或剧烈热冲击下易发生结构退化与强度衰减。如何在同一材料体系中同时实现优异的力学柔韧性、热机械稳定性与超低高温热导率，是当前陶瓷气凝胶领域亟待突破的关键科学难题。

文章亮点

近日，电子科技大学长三角研究院（衢州）博士后龙鑫和电子科技大学廖家轩教授（共同通讯作者）在Elsevier出版社材料学旗舰期刊Materials Today上发表重要研究成果，报道了一种具有双负指数（负泊松比与负热膨胀系数）特性的多尺度结构陶瓷气凝胶（SCAs）。该材料通过将叶脉状纳米结构、燕尾榫微米结构与宏观多折叠结构跨尺度协同设计，首次在单一陶瓷气凝胶中实现了负泊松比与负热膨胀系数的耦合，从根本上突破了传统气凝胶的力学与热学性能局限。

图1. SCAs多尺度结构设计

通过精确控制的模板复制与交替沉积工艺，构建了“5层SiO2纳米膜夹层4层碳纳米纤维”的复合结构，随后结合机械轧制与惰性气氛热处理，最终获得具有宏观多折叠、微观燕尾榫、纳观叶脉状三级结构特征的气凝胶材料。该材料展现出优异的可设计性与尺寸可扩展性，可通过简单更换模具实现不同形状的大尺寸制备。

图2. SCAs微观结构表征研究

得益于燕尾榫结构在压缩时诱导的稳定负泊松比响应以及碳纳米纤维对SiO2纳米膜的有效增强，SCAs在95%压缩应变下仍能完全回弹。在70%应变下进行10000次循环加载-卸载后，残余应力低于12.5%，残余应变仅0.5%，能量损耗系数稳定在0.407，展现出卓越的抗疲劳性能。此外，该材料在50%拉伸应变下循环1000次后残余应力率仅11.4%，并可承受90°弯曲与360°扭转而无结构破坏，其力学适应性远超现有陶瓷气凝胶。

图3. SCAs力学性能研究

燕尾榫结构与宏观多折叠结构的协同作用赋予了SCAs负热膨胀行为。在25-200 ℃范围内，负热膨胀系数达-5.38×10-6/℃。在剧烈的热冲击测试中（温度在1000 ℃与-198 ℃之间快速交替，变温速率约300-500 ℃/s），经过1000次循环后，材料微观结构、最大应力与弹性压缩性能均无明显变化，充分证明了其优异的热机械稳定性。

图4. SCAs热学性能与热机械稳定性研究

得益于SiO2纳米膜的二维结构单元对气体对流碰撞的有效抑制，SCAs在室温下热导率低至18.32±0.91 mW/(m·K)，优于了静态空气（25 mW/(m·K)）。通过原位生长的碳纳米纤维显著增强了红外吸收效率，在1000 ℃时热导率仅94±4.7 mW/(m·K)，远低于大多数已报道陶瓷气凝胶（通常>200 mW/(m·K)）。在600 ℃热台上，20 mm高样品顶部温度仅73.2±3.6 ℃；在5 mm厚样品经受丁烷火焰持续灼烧5 min后，背面温度仅58.2±2.9 ℃，属于人体可接触温度范围。该材料最高可耐受1300 ℃高温，是目前陶瓷气凝胶领域的最高应用温度之一。

总结与展望

本研究通过跨尺度结构设计，在陶瓷气凝胶中实现了负泊松比与负热膨胀系数的协同耦合，成功解决了传统陶瓷气凝胶在力学柔韧性、热机械稳定性与高温热绝缘性能之间的固有矛盾。该材料在95%压缩应变下完全回弹、10000次循环疲劳测试后性能稳定、1000 ℃下热导率低至94 mW/(m·K)，并在剧烈热冲击与长期高温暴露后保持结构完整，为极端环境下的可靠热防护提供了极具前景的材料解决方案。该制备路线兼容现有工业制造平台，展现出良好的规模化应用潜力。

通讯作者信息：

龙鑫博士后
龙鑫，2024年博士毕业于电子科技大学，现为电子科技大学长三角研究院（衢州）在站博士后，研究方向为“陶瓷气凝胶的多级结构构筑及其力-热性能协同增强研究”。以唯一第一作者身份（部分兼任共同通讯作者）在Mater. Today、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.等期刊上发表SCI论文15篇，共授权发明专利2项，受理发明专利5项。曾获博士国家奖学金、四川省博士优秀毕业生、电子科技大学学术新秀奖、电子科技大学优秀毕业生等奖励和荣誉称号。现主持浙江省博士后基金（一等资助）和衢州市科创项目各1项，作为主要研究人员参与了国家自然科学基金、四川省重点研发等10余项项目的研究工作。中央教育电视台1频道对作者的部分科研成果进行报道。

廖家轩教授

廖家轩，2001博士毕业于哈尔滨工业大学，现任电子科技大学教授，博士生导师。长期从事电子材料与元器件、新能源材料与器件以及气凝胶等研究工作。在Adv. Mater.、Mater. Today、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.、ACS Energy Lett.等期刊上发表论文150余篇，2018年来每年平均2~3篇ESI高被引论文，他引2000余次，授权发明专利40余项。主持及参与国家自然科学基金、国家863、973计划等科研项目30余项，其中主持和主研20余项。参加中国化工学会、中国微米纳米技术学会及中国电子信息材料专委会等，进入国家自然科学基金委、博士后基金会、教育部、河北省、重庆市、四川省、成都市及各州市等科技专家库，受聘教育部学位中心评审专家、成都市节能环保领域专家及成都市经信局新型显示/光电显示领域专家等。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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