能扛 2000℃还会 “弹”？浙大微穹顶气凝胶，玩出 30 种元素混搭的跨界魔术-山东化工网

能扛 2000℃还会 “弹”？浙大微穹顶气凝胶，玩出 30 种元素混搭的跨界魔术

文章来源：贤集网更新时间：2025-08-15 15:23:42

在材料科学领域，极端环境适应性材料的研发始终是推动高端制造与前沿探索的核心动力。浙江大学高超教授团队研发的微穹顶气凝胶，以其兼具超轻特性、极端温度耐受性与高弹性的综合性能，突破了传统多孔材料的应用边界，为航空航天、新能源等战略领域提供了全新解决方案。以下从结构创新、制备原理、性能突破及应用前景四个维度，系统解析这一材料的技术内核与产业价值。

一、穹顶革命：多孔材料的结构范式突破

气凝胶作为已知最轻的固体材料之一，其性能瓶颈长期集中于力学脆性与极端环境稳定性的矛盾。微穹顶气凝胶通过引入微米级穹顶曲面孔隙结构，重构了材料的力学响应机制。

传统气凝胶的孔隙多为蜂窝状或棱角分明的刚性结构，在外力作用下易产生应力集中导致碎裂。而微穹顶结构通过不可展曲面的几何特性，形成可恢复的褶皱形变——当材料承受99%的压缩量时，穹顶曲面通过曲率变化分散外力，其弹性应变能存储能力经计算机模拟验证，是传统结构的10倍以上。这种“曲率智慧”使其在数万次循环压缩后仍能完全恢复原状，解决了多孔材料“轻则脆”的固有缺陷。

在成分设计上，该材料采用“烯陶杂化”体系，通过石墨烯与陶瓷在原子层面的二维复合，实现了性能互补：石墨烯抑制陶瓷高温下的重结晶，陶瓷则防止石墨烯片层在超高温下的滑移。这种协同作用使材料可在-268℃（4.2开尔文）至2000℃（2273开尔文）的宽温域内保持结构稳定，远超传统气凝胶的耐受极限。

二、受限发泡：从实验室到产业化的普适路径

微穹顶气凝胶的制备突破源于二维通道受限发泡法的创新，其原理灵感虽源自“大象牙膏”实验中的发泡现象，但通过精准调控实现了工业化潜力。

该方法以氧化石墨烯为基底，利用其片层间的二维通道作为反应空间：向体系中引入过氧化氢等发泡剂后，氧气泡在片层夹层内成核、生长，受两侧石墨烯片的限制，自然形成穹顶状孔隙。整个过程无需冷冻干燥或超临界干燥等高能耗工艺，仅在常温常压下即可完成，显著降低了制备成本。

更关键的是其材料普适性：通过改变前驱体成分，可与金属、氧化物、碳化物等形成杂化体系，已成功制备出121种氧化物气凝胶、38种碳化物气凝胶及35种金属基气凝胶。甚至可实现高熵材料设计，将组分调控至含30种元素的高熵态，为不同场景的性能定制提供了灵活度。这种“万能搭子”特性，使其从实验室样品快速迈向多领域应用成为可能。

三、极限性能：从热防护到能量缓冲的多维突破

微穹顶气凝胶的性能优势体现在极端环境下的综合表现，其核心指标已实现对现有材料的跨代超越。

在热学性能方面，高熵气凝胶的室温导热率低至13.4毫瓦/米・开尔文（仅为空气的1/2），即使在2000℃下仍能保持171.1毫瓦/米・开尔文的低热导特性，且经100次超高温热冲击后结构无明显劣化。这一指标使其可直接应用于核聚变装置的热防护层、超音速飞行器的耐高温外壳等极端场景，相比美国帕克太阳探测器1650℃的隔热极限，拓展了更高温度区间的防护可能。

在力学性能上，除99%压缩量下的高弹性恢复能力外，其抗疲劳性能同样突出：经数万次循环压缩测试，力学性能衰减率低于5%，远超传统气凝胶的脆性断裂阈值。这种“可变形+抗冲击”的双重特性，使其在能量缓冲领域展现潜力，例如作为精密仪器的减震材料或极端环境下的结构支撑件。

四、赛道卡位：新能源与空天领域的战略机遇

微穹顶气凝胶的产业化价值正随着政策支持与应用场景的拓展加速释放，成为新材料赛道的关键增长点。

在航空航天领域，其超轻特性（密度可低至0.1克/立方厘米）与极端温度耐受性的结合，为深空探测器提供了理想的热防护方案——例如可用于近太阳探测任务的隔热层，或行星大气层进入舱的热盾材料。在新能源领域，其高效隔热性能可优化锂电池的热管理系统，降低热失控风险；在氢能储运中，可作为低温绝热材料减少能量损耗。

政策层面，六大行已推出专项信贷支持，单户企业最高可获3000万元授信，科技型企业还可叠加知识产权质押额度，年化利率低至2.78%，为产业落地提供资金保障。从市场反馈看，其在节能建筑、高端装备制造等领域的试点应用已显示出成本优势，随着规模化生产的推进，有望快速替代传统隔热材料与缓冲材料，重塑行业竞争格局。

这种集“超轻、耐高温、高弹性、易制备”于一身的材料突破，不仅是多孔材料领域的技术革命，更将推动极端环境装备的设计理念升级——当材料能在2000℃高温下“弹跳”，人类探索宇宙与深海的边界，正被重新定义。

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