攻克脆性难题，陶瓷气凝胶成极端环境 “终极屏障” -山东化工网

攻克脆性难题，陶瓷气凝胶成极端环境 “终极屏障”

文章来源：贤集网更新时间：2025-08-11 16:23:52

陶瓷气凝胶作为一种集超轻量、超低导热性和耐高温特性于一体的尖端材料，自诞生以来便被视为航空航天与国防领域极端环境隔热的理想选择。这类材料由纳米级陶瓷颗粒或纤维构建三维多孔网络，孔隙率高达 99% 以上，密度可低至每立方厘米数毫克，同时能在 1000℃以上高温下保持稳定。

然而，其固有的脆性始终是制约实际应用的核心瓶颈 —— 传统陶瓷气凝胶在动态热冲击下易发生脆性断裂，例如美国 NASA 火星探测器使用的气凝胶在经历数百次温度骤变后出现结构性崩塌。

近年来，全球科研团队围绕这一难题展开攻关，其中东华大学与哈尔滨工业大学的两项突破性研究尤为瞩目，通过跨学科技术融合，在力学性能与热稳定性上实现了历史性跨越。

一、材料科学的世纪挑战：脆性与功能性的博弈

陶瓷气凝胶的脆性源于其纳米颗粒间的化学键合特性。传统制备方法（如超临界干燥）虽能形成高度多孔结构，但颗粒间仅通过弱范德华力连接，导致材料在拉伸或弯曲载荷下易发生裂纹扩展。例如，早期氧化硅气凝胶在 600℃以上会因纳米颗粒烧结而丧失隔热性能，且无法承受超过 20% 的压缩应变。尽管引入纳米纤维网络可提升压缩强度（如最优陶瓷纳米纤维气凝胶拉伸强度达 170.38 MPa），但拉伸性能弱的问题始终未解。

这种 "力热互斥" 现象在极端环境中尤为突出。航天器返回舱在再入大气层时需承受 1650℃高温与剧烈温度梯度，传统隔热瓦（如航天飞机使用的 HRSI）虽能耐受高温，却因脆性导致安装过程中破损率高达 30%。而深空探测器面临的 - 270℃超低温与太阳直射下的 + 120℃温差，更要求材料兼具柔韧性与结构稳定性。

二、纺织智慧与纳米技术的跨界融合

东华大学俞建勇院士团队另辟蹊径，将传承千年的纺织针织技术与现代纳米陶瓷工艺结合，开发出机械自适应陶瓷纤维气凝胶（MAFAs）。该材料通过 "预应变针织拓扑框架 + 纳米纤维网络" 的双尺度设计，实现了力学性能的革命性突破。

具体而言，研究团队首先用计算机横机编织陶瓷纱线网络，经预拉伸后浸入二氧化硅纳米纤维溶胶。通过液氮冷冻固定定向冰晶生长，再经冻干与 800℃煅烧形成共价交联结构。这种工艺使微米级针织框架与纳米多孔网络相互嵌套，预应力使纳米纤维网络处于收缩态，储备了高弹性势能。电镜观察显示，拉伸过程中纳米纤维会沿受力方向定向排列，形成类似肌肉纤维的协同受力机制。

力学测试揭示了 MAFAs 的独特优势：拉伸强度达 356.6 kPa，压缩强度 109.1 kPa，断裂能 117.26 kJ・m⁻³，且在 500 次拉伸或 1000 次压缩循环后仍保持超 90% 的形变恢复率。其应力 - 应变曲线呈现锯齿状特征，当外部载荷破坏主拓扑单元时，连锁结构通过 "解链" 释放隐藏长度，避免了传统材料的脆性断裂。在 1200℃丁烷火焰灼烧测试中，材料背面温度仅 143.5℃，比传统 SiO₂材料低 300℃，展现出卓越的热管理能力。

三、电场诱导：介电陶瓷的定向革命

哈尔滨工业大学赫晓东院士团队则从材料制备工艺入手，提出电场诱导纤维取向的新策略。针对介电陶瓷纤维在电场中响应较弱的难题，团队通过理论推导与多物理场模拟，揭示了纤维定向排列的核心条件：当电场强度超过临界值时，纤维会克服布朗运动与流体阻力，沿电场方向形成有序网络。

实验中，短切陶瓷纤维在电场作用下定向沉积，形成类似蜂窝的三维结构。这种有序排列使材料沿纤维轴向的力学强度提升 40%，且纤维与对齐的纤维壁协同弯曲，赋予材料良好的弹性。热传导测试显示，有序结构通过增加声子散射路径，将导热系数降至 0.0261 W・m⁻¹・K⁻¹，同时吸声系数提高 3 倍，实现了隔热与降噪的双重优化。

值得关注的是，该方法突破了传统电场诱导仅适用于导电材料的限制，为介电陶瓷的宏观组装提供了普适性方案。与现有陶瓷纤维气凝胶相比，其综合性能（如 90% 应变下的压缩稳定性）全面领先，且制备工艺可扩展至莫来石、碳化硅等多种陶瓷体系。

四、多尺度结构工程的范式革新

这两项研究共同揭示了陶瓷气凝胶性能提升的关键路径：通过跨尺度结构设计实现力热性能的协同优化。例如，MAFAs 的针织框架承担主要载荷，纳米纤维蜂窝结构通过逐级屈曲耗散能量；而哈工大的有序结构则通过纤维定向排列增强轴向刚度，同时利用多孔网络抑制热传导。

这种设计理念在其他研究中亦得到验证。西安交通大学王红洁团队通过 SiC 纳米线构筑多级孔结构，实现了轴向比模量 24.7 kN・m・kg⁻¹ 与径向热导率 0.014 W・m⁻¹・K⁻¹ 的同步优化；清华大学伍晖团队开发的碎冰模板法，利用动态冷冻工艺制备出可耐受 875℃电池热失控的陶瓷纤维气凝胶，5 毫米厚材料即可完全阻止热失控传播。

五、极端环境下的应用图景

这些技术突破正在重塑航空航天与国防领域的材料选择。MAFAs 的预应力拓扑结构使其成为航天器返回舱隔热层的理想候选，其 "倒火山型" 应力分布可有效抑制层间剪切位移，而 1200℃高温下的稳定表现满足深空探测器的长期服役需求。哈工大的有序结构气凝胶则在吸声降噪与轻质防护领域展现潜力，可用于潜艇声呐舱室与单兵作战装备的复合防护。

在新能源领域，陶瓷气凝胶的轻量化与耐高温特性为动力电池安全带来新解决方案。清华大学团队的碎冰模板法制备的气凝胶密度仅 0.6 mg/cm³，经 1000 次压缩循环后性能无损，已在 53Ah 三元电池热失控测试中验证其可靠性。而西安交大的 SiC 纳米线气凝胶在 1500℃惰性气氛下仍保持结构稳定，为超高温储能设备提供了关键材料支撑。

六、未来：从实验室到星辰大海

当前，陶瓷气凝胶的研究正从单一性能优化转向多功能集成。例如，哈工大团队最新开发的半晶质陶瓷气凝胶同时具备近零泊松比与近零热膨胀特性，可实时监测结构损伤，实现隔热与自感知的一体化。而东华大学团队的设计框架已拓展至碳纳米管、芳纶等其他纤维体系，为柔性电子器件的热管理开辟新方向。

随着制备工艺的成熟（如碎冰模板法的大规模生产能力）与成本降低（动态冷冻工艺能耗较超临界法降低 60%），陶瓷气凝胶正从实验室走向产业化。据行业预测，到 2030 年，全球高温隔热材料市场中陶瓷气凝胶的占比将超过 30%，其中航空航天领域需求年增长率预计达 18%。

这场材料科学的革命，不仅重新定义了陶瓷的物理极限，更让人类在探索极端环境的征程中拥有了更可靠的保护屏障。从万米高空的飞行器到深空探测的航天器，陶瓷气凝胶正以其轻盈之躯，承载着人类对未知领域的无限探索。

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