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攻克脆性難題，陶瓷氣凝膠成極端環境 “終極屏障”

文章來源：賢集網更新時間：2025-08-11 16:23:52

陶瓷氣凝膠作為一種集超輕量、超低導熱性和耐高溫特性于一體的尖端材料，自誕生以來便被視為航空航天與國防領域極端環境隔熱的理想選擇。這類材料由納米級陶瓷顆粒或纖維構建三維多孔網絡，孔隙率高達 99% 以上，密度可低至每立方厘米數毫克，同時能在 1000℃以上高溫下保持穩定。

然而，其固有的脆性始終是制約實際應用的核心瓶頸 —— 傳統陶瓷氣凝膠在動態熱沖擊下易發生脆性斷裂，例如美國 NASA 火星探測器使用的氣凝膠在經歷數百次溫度驟變后出現結構性崩塌。

近年來，全球科研團隊圍繞這一難題展開攻關，其中東華大學與哈爾濱工業大學的兩項突破性研究尤為矚目，通過跨學科技術融合，在力學性能與熱穩定性上實現了歷史性跨越。

一、材料科學的世紀挑戰：脆性與功能性的博弈

陶瓷氣凝膠的脆性源于其納米顆粒間的化學鍵合特性。傳統制備方法（如超臨界干燥）雖能形成高度多孔結構，但顆粒間僅通過弱范德華力連接，導致材料在拉伸或彎曲載荷下易發生裂紋擴展。例如，早期氧化硅氣凝膠在 600℃以上會因納米顆粒燒結而喪失隔熱性能，且無法承受超過 20% 的壓縮應變。盡管引入納米纖維網絡可提升壓縮強度（如最優陶瓷納米纖維氣凝膠拉伸強度達 170.38 MPa），但拉伸性能弱的問題始終未解。

這種 "力熱互斥" 現象在極端環境中尤為突出。航天器返回艙在再入大氣層時需承受 1650℃高溫與劇烈溫度梯度，傳統隔熱瓦（如航天飛機使用的 HRSI）雖能耐受高溫，卻因脆性導致安裝過程中破損率高達 30%。而深空探測器面臨的 - 270℃超低溫與太陽直射下的 + 120℃溫差，更要求材料兼具柔韌性與結構穩定性。

二、紡織智慧與納米技術的跨界融合

東華大學俞建勇院士團隊另辟蹊徑，將傳承千年的紡織針織技術與現代納米陶瓷工藝結合，開發出機械自適應陶瓷纖維氣凝膠（MAFAs）。該材料通過 "預應變針織拓撲框架 + 納米纖維網絡" 的雙尺度設計，實現了力學性能的革命性突破。

具體而言，研究團隊首先用計算機橫機編織陶瓷紗線網絡，經預拉伸后浸入二氧化硅納米纖維溶膠。通過液氮冷凍固定定向冰晶生長，再經凍干與 800℃煅燒形成共價交聯結構。這種工藝使微米級針織框架與納米多孔網絡相互嵌套，預應力使納米纖維網絡處于收縮態，儲備了高彈性勢能。電鏡觀察顯示，拉伸過程中納米纖維會沿受力方向定向排列，形成類似肌肉纖維的協同受力機制。

力學測試揭示了 MAFAs 的獨特優勢：拉伸強度達 356.6 kPa，壓縮強度 109.1 kPa，斷裂能 117.26 kJ?m?³，且在 500 次拉伸或 1000 次壓縮循環后仍保持超 90% 的形變恢復率。其應力 - 應變曲線呈現鋸齒狀特征，當外部載荷破壞主拓撲單元時，連鎖結構通過 "解鏈" 釋放隱藏長度，避免了傳統材料的脆性斷裂。在 1200℃丁烷火焰灼燒測試中，材料背面溫度僅 143.5℃，比傳統 SiO?材料低 300℃，展現出卓越的熱管理能力。

三、電場誘導：介電陶瓷的定向革命

哈爾濱工業大學赫曉東院士團隊則從材料制備工藝入手，提出電場誘導纖維取向的新策略。針對介電陶瓷纖維在電場中響應較弱的難題，團隊通過理論推導與多物理場模擬，揭示了纖維定向排列的核心條件：當電場強度超過臨界值時，纖維會克服布朗運動與流體阻力，沿電場方向形成有序網絡。

實驗中，短切陶瓷纖維在電場作用下定向沉積，形成類似蜂窩的三維結構。這種有序排列使材料沿纖維軸向的力學強度提升 40%，且纖維與對齊的纖維壁協同彎曲，賦予材料良好的彈性。熱傳導測試顯示，有序結構通過增加聲子散射路徑，將導熱系數降至 0.0261 W?m?¹?K?¹，同時吸聲系數提高 3 倍，實現了隔熱與降噪的雙重優化。

值得關注的是，該方法突破了傳統電場誘導僅適用于導電材料的限制，為介電陶瓷的宏觀組裝提供了普適性方案。與現有陶瓷纖維氣凝膠相比，其綜合性能（如 90% 應變下的壓縮穩定性）全面領先，且制備工藝可擴展至莫來石、碳化硅等多種陶瓷體系。

四、多尺度結構工程的范式革新

這兩項研究共同揭示了陶瓷氣凝膠性能提升的關鍵路徑：通過跨尺度結構設計實現力熱性能的協同優化。例如，MAFAs 的針織框架承擔主要載荷，納米纖維蜂窩結構通過逐級屈曲耗散能量；而哈工大的有序結構則通過纖維定向排列增強軸向剛度，同時利用多孔網絡抑制熱傳導。

這種設計理念在其他研究中亦得到驗證。西安交通大學王紅潔團隊通過 SiC 納米線構筑多級孔結構，實現了軸向比模量 24.7 kN?m?kg?¹ 與徑向熱導率 0.014 W?m?¹?K?¹ 的同步優化；清華大學伍暉團隊開發的碎冰模板法，利用動態冷凍工藝制備出可耐受 875℃電池熱失控的陶瓷纖維氣凝膠，5 毫米厚材料即可完全阻止熱失控傳播。

五、極端環境下的應用圖景

這些技術突破正在重塑航空航天與國防領域的材料選擇。MAFAs 的預應力拓撲結構使其成為航天器返回艙隔熱層的理想候選，其 "倒火山型" 應力分布可有效抑制層間剪切位移，而 1200℃高溫下的穩定表現滿足深空探測器的長期服役需求。哈工大的有序結構氣凝膠則在吸聲降噪與輕質防護領域展現潛力，可用于潛艇聲吶艙室與單兵作戰裝備的復合防護。

在新能源領域，陶瓷氣凝膠的輕量化與耐高溫特性為動力電池安全帶來新解決方案。清華大學團隊的碎冰模板法制備的氣凝膠密度僅 0.6 mg/cm³，經 1000 次壓縮循環后性能無損，已在 53Ah 三元電池熱失控測試中驗證其可靠性。而西安交大的 SiC 納米線氣凝膠在 1500℃惰性氣氛下仍保持結構穩定，為超高溫儲能設備提供了關鍵材料支撐。

六、未來：從實驗室到星辰大海

當前，陶瓷氣凝膠的研究正從單一性能優化轉向多功能集成。例如，哈工大團隊最新開發的半晶質陶瓷氣凝膠同時具備近零泊松比與近零熱膨脹特性，可實時監測結構損傷，實現隔熱與自感知的一體化。而東華大學團隊的設計框架已拓展至碳納米管、芳綸等其他纖維體系，為柔性電子器件的熱管理開辟新方向。

隨著制備工藝的成熟（如碎冰模板法的大規模生產能力）與成本降低（動態冷凍工藝能耗較超臨界法降低 60%），陶瓷氣凝膠正從實驗室走向產業化。據行業預測，到 2030 年，全球高溫隔熱材料市場中陶瓷氣凝膠的占比將超過 30%，其中航空航天領域需求年增長率預計達 18%。

這場材料科學的革命，不僅重新定義了陶瓷的物理極限，更讓人類在探索極端環境的征程中擁有了更可靠的保護屏障。從萬米高空的飛行器到深空探測的航天器，陶瓷氣凝膠正以其輕盈之軀，承載著人類對未知領域的無限探索。

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