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攻克脆性難題，陶瓷氣凝膠成極端環(huán)境 “終極屏障”
文章來源：賢集網(wǎng)     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(dǎo)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(lǐng)域極端環(huán)境隔熱的理想選擇。這類材料由納米級陶瓷顆粒或纖維構(gòu)建三維多孔網(wǎng)絡(luò)，孔隙率高達(dá) 99% 以上，密度可低至每立方厘米數(shù)毫克，同時能在 1000℃以上高溫下保持穩(wěn)定。



然而，其固有的脆性始終是制約實(shí)際應(yīng)用的核心瓶頸 —— 傳統(tǒng)陶瓷氣凝膠在動態(tài)熱沖擊下易發(fā)生脆性斷裂，例如美國 NASA 火星探測器使用的氣凝膠在經(jīng)歷數(shù)百次溫度驟變后出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性崩塌。



近年來，全球科研團(tuán)隊圍繞這一難題展開攻關(guān)，其中東華大學(xué)與哈爾濱工業(yè)大學(xué)的兩項突破性研究尤為矚目，通過跨學(xué)科技術(shù)融合，在力學(xué)性能與熱穩(wěn)定性上實(shí)現(xiàn)了歷史性跨越。



一、材料科學(xué)的世紀(jì)挑戰(zhàn)：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(xué)鍵合特性。傳統(tǒng)制備方法（如超臨界干燥）雖能形成高度多孔結(jié)構(gòu)，但顆粒間僅通過弱范德華力連接，導(dǎo)致材料在拉伸或彎曲載荷下易發(fā)生裂紋擴(kuò)展。例如，早期氧化硅氣凝膠在 600℃以上會因納米顆粒燒結(jié)而喪失隔熱性能，且無法承受超過 20% 的壓縮應(yīng)變。盡管引入納米纖維網(wǎng)絡(luò)可提升壓縮強(qiáng)度（如最優(yōu)陶瓷納米纖維氣凝膠拉伸強(qiáng)度達(dá) 170.38 MPa），但拉伸性能弱的問題始終未解。



這種 "力熱互斥" 現(xiàn)象在極端環(huán)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(tǒng)隔熱瓦（如航天飛機(jī)使用的 HRSI）雖能耐受高溫，卻因脆性導(dǎo)致安裝過程中破損率高達(dá) 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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。



二、紡織智慧與納米技術(shù)的跨界融合



東華大學(xué)俞建勇院士團(tuán)隊另辟蹊徑，將傳承千年的紡織針織技術(shù)與現(xiàn)代納米陶瓷工藝結(jié)合，開發(fā)出機(jī)械自適應(yīng)陶瓷纖維氣凝膠（MAFAs）。該材料通過 "預(yù)應(yīng)變針織拓?fù)淇蚣?+ 納米纖維網(wǎng)絡(luò)" 的雙尺度設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)性能的革命性突破。



具體而言，研究團(tuán)隊首先用計算機(jī)橫機(jī)編織陶瓷紗線網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)預(yù)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(jīng)凍干與 800℃煅燒形成共價交聯(lián)結(jié)構(gòu)。這種工藝使微米級針織框架與納米多孔網(wǎng)絡(luò)相互嵌套，預(yù)應(yīng)力使納米纖維網(wǎng)絡(luò)處于收縮態(tài)，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(xié)同受力機(jī)制。



力學(xué)測試揭示了 MAFAs 的獨(dú)特優(yōu)勢：拉伸強(qiáng)度達(dá) 356.6 kPa，壓縮強(qiáng)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(huán)后仍保持超 90% 的形變恢復(fù)率。其應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線呈現(xiàn)鋸齒狀特征，當(dāng)外部載荷破壞主拓?fù)鋯卧獣r，連鎖結(jié)構(gòu)通過 "解鏈" 釋放隱藏長度，避免了傳統(tǒng)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(tǒng) SiO?材料低 300℃，展現(xiàn)出卓越的熱管理能力。



三、電場誘導(dǎo)：介電陶瓷的定向革命



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



實(shí)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(jié)構(gòu)。這種有序排列使材料沿纖維軸向的力學(xué)強(qiáng)度提升 40%，且纖維與對齊的纖維壁協(xié)同彎曲，賦予材料良好的彈性。熱傳導(dǎo)測試顯示，有序結(jié)構(gòu)通過增加聲子散射路徑，將導(dǎo)熱系數(shù)降至 0.0261 W?m?¹?K?¹，同時吸聲系數(shù)提高 3 倍，實(shí)現(xiàn)了隔熱與降噪的雙重優(yōu)化。



值得關(guān)注的是，該方法突破了傳統(tǒng)電場誘導(dǎo)僅適用于導(dǎo)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(xiàn)有陶瓷纖維氣凝膠相比，其綜合性能（如 90% 應(yīng)變下的壓縮穩(wěn)定性）全面領(lǐng)先，且制備工藝可擴(kuò)展至莫來石、碳化硅等多種陶瓷體系。



四、多尺度結(jié)構(gòu)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(guān)鍵路徑：通過跨尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)現(xiàn)力熱性能的協(xié)同優(yōu)化。例如，MAFAs 的針織框架承擔(dān)主要載荷，納米纖維蜂窩結(jié)構(gòu)通過逐級屈曲耗散能量；而哈工大的有序結(jié)構(gòu)則通過纖維定向排列增強(qiáng)軸向剛度，同時利用多孔網(wǎng)絡(luò)抑制熱傳導(dǎo)。



這種設(shè)計理念在其他研究中亦得到驗證。西安交通大學(xué)王紅潔團(tuán)隊通過 SiC 納米線構(gòu)筑多級孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了軸向比模量 24.7 kN?m?kg?¹ 與徑向熱導(dǎo)率 0.014 W?m?¹?K?¹ 的同步優(yōu)化；清華大學(xué)伍暉團(tuán)隊開發(fā)的碎冰模板法，利用動態(tài)冷凍工藝制備出可耐受 875℃電池?zé)崾Э氐奶沾衫w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(huán)境下的應(yīng)用圖景



這些技術(shù)突破正在重塑航空航天與國防領(lǐng)域的材料選擇。MAFAs 的預(yù)應(yīng)力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其成為航天器返回艙隔熱層的理想候選，其 "倒火山型" 應(yīng)力分布可有效抑制層間剪切位移，而 1200℃高溫下的穩(wěn)定表現(xiàn)滿足深空探測器的長期服役需求。哈工大的有序結(jié)構(gòu)氣凝膠則在吸聲降噪與輕質(zhì)防護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)潛力，可用于潛艇聲吶艙室與單兵作戰(zhàn)裝備的復(fù)合防護(hù)。



在新能源領(lǐng)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(xué)團(tuán)隊的碎冰模板法制備的氣凝膠密度僅 0.6 mg/cm³，經(jīng) 1000 次壓縮循環(huán)后性能無損，已在 53Ah 三元電池?zé)崾Э販y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(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為超高溫儲能設(shè)備提供了關(guān)鍵材料支撐。



六、未來：從實(shí)驗室到星辰大海



當(dāng)前，陶瓷氣凝膠的研究正從單一性能優(yōu)化轉(zhuǎn)向多功能集成。例如，哈工大團(tuán)隊最新開發(fā)的半晶質(zhì)陶瓷氣凝膠同時具備近零泊松比與近零熱膨脹特性，可實(shí)時監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷，實(shí)現(xiàn)隔熱與自感知的一體化。而東華大學(xué)團(tuán)隊的設(shè)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(guī)模生產(chǎn)能力）與成本降低（動態(tài)冷凍工藝能耗較超臨界法降低 60%），陶瓷氣凝膠正從實(shí)驗室走向產(chǎn)業(yè)化。據(jù)行業(yè)預(yù)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(lǐng)域需求年增長率預(yù)計達(dá) 18%。



這場材料科學(xué)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(huán)境的征程中擁有了更可靠的保護(hù)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(lǐng)域的無限探索。

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