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能扛 2000℃還會 “彈”？浙大微穹頂氣凝膠，玩出 30 種元素混搭的跨界魔術(shù)
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時間：2025-08-15 15:23:42
在材料科學領(lǐng)域，極端環(huán)境適應性材料的研發(fā)始終是推動高端制造與前沿探索的核心動力。浙江大學高超教授團隊研發(fā)的微穹頂氣凝膠，以其兼具超輕特性、極端溫度耐受性與高彈性的綜合性能，突破了傳統(tǒng)多孔材料的應用邊界，為航空航天、新能源等戰(zhàn)略領(lǐng)域提供了全新解決方案。以下從結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、制備原理、性能突破及應用前景四個維度，系統(tǒng)解析這一材料的技術(shù)內(nèi)核與產(chǎn)業(yè)價值。



一、穹頂革命：多孔材料的結(jié)構(gòu)范式突破



氣凝膠作為已知最輕的固體材料之一，其性能瓶頸長期集中于力學脆性與極端環(huán)境穩(wěn)定性的矛盾。微穹頂氣凝膠通過引入微米級穹頂曲面孔隙結(jié)構(gòu)，重構(gòu)了材料的力學響應機制。



傳統(tǒng)氣凝膠的孔隙多為蜂窩狀或棱角分明的剛性結(jié)構(gòu)，在外力作用下易產(chǎn)生應力集中導致碎裂。而微穹頂結(jié)構(gòu)通過不可展曲面的幾何特性，形成可恢復的褶皺形變——當材料承受99%的壓縮量時，穹頂曲面通過曲率變化分散外力，其彈性應變能存儲能力經(jīng)計算機模擬驗證，是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的10倍以上。這種“曲率智慧”使其在數(shù)萬次循環(huán)壓縮后仍能完全恢復原狀，解決了多孔材料“輕則脆”的固有缺陷。







在成分設計上，該材料采用“烯陶雜化”體系，通過石墨烯與陶瓷在原子層面的二維復合，實現(xiàn)了性能互補：石墨烯抑制陶瓷高溫下的重結(jié)晶，陶瓷則防止石墨烯片層在超高溫下的滑移。這種協(xié)同作用使材料可在-268℃（4.2開爾文）至2000℃（2273開爾文）的寬溫域內(nèi)保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，遠超傳統(tǒng)氣凝膠的耐受極限。



二、受限發(fā)泡：從實驗室到產(chǎn)業(yè)化的普適路徑



微穹頂氣凝膠的制備突破源于二維通道受限發(fā)泡法的創(chuàng)新，其原理靈感雖源自“大象牙膏”實驗中的發(fā)泡現(xiàn)象，但通過精準調(diào)控實現(xiàn)了工業(yè)化潛力。



該方法以氧化石墨烯為基底，利用其片層間的二維通道作為反應空間：向體系中引入過氧化氫等發(fā)泡劑后，氧氣泡在片層夾層內(nèi)成核、生長，受兩側(cè)石墨烯片的限制，自然形成穹頂狀孔隙。整個過程無需冷凍干燥或超臨界干燥等高能耗工藝，僅在常溫常壓下即可完成，顯著降低了制備成本。



更關(guān)鍵的是其材料普適性：通過改變前驅(qū)體成分，可與金屬、氧化物、碳化物等形成雜化體系，已成功制備出121種氧化物氣凝膠、38種碳化物氣凝膠及35種金屬基氣凝膠。甚至可實現(xiàn)高熵材料設計，將組分調(diào)控至含30種元素的高熵態(tài)，為不同場景的性能定制提供了靈活度。這種“萬能搭子”特性，使其從實驗室樣品快速邁向多領(lǐng)域應用成為可能。



三、極限性能：從熱防護到能量緩沖的多維突破



微穹頂氣凝膠的性能優(yōu)勢體現(xiàn)在極端環(huán)境下的綜合表現(xiàn)，其核心指標已實現(xiàn)對現(xiàn)有材料的跨代超越。







在熱學性能方面，高熵氣凝膠的室溫導熱率低至13.4毫瓦/米?開爾文（僅為空氣的1/2），即使在2000℃下仍能保持171.1毫瓦/米?開爾文的低熱導特性，且經(jīng)100次超高溫熱沖擊后結(jié)構(gòu)無明顯劣化。這一指標使其可直接應用于核聚變裝置的熱防護層、超音速飛行器的耐高溫外殼等極端場景，相比美國帕克太陽探測器1650℃的隔熱極限，拓展了更高溫度區(qū)間的防護可能。



在力學性能上，除99%壓縮量下的高彈性恢復能力外，其抗疲勞性能同樣突出：經(jīng)數(shù)萬次循環(huán)壓縮測試，力學性能衰減率低于5%，遠超傳統(tǒng)氣凝膠的脆性斷裂閾值。這種“可變形+抗沖擊”的雙重特性，使其在能量緩沖領(lǐng)域展現(xiàn)潛力，例如作為精密儀器的減震材料或極端環(huán)境下的結(jié)構(gòu)支撐件。



四、賽道卡位：新能源與空天領(lǐng)域的戰(zhàn)略機遇



微穹頂氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化價值正隨著政策支持與應用場景的拓展加速釋放，成為新材料賽道的關(guān)鍵增長點。



在航空航天領(lǐng)域，其超輕特性（密度可低至0.1克/立方厘米）與極端溫度耐受性的結(jié)合，為深空探測器提供了理想的熱防護方案——例如可用于近太陽探測任務的隔熱層，或行星大氣層進入艙的熱盾材料。在新能源領(lǐng)域，其高效隔熱性能可優(yōu)化鋰電池的熱管理系統(tǒng)，降低熱失控風險；在氫能儲運中，可作為低溫絕熱材料減少能量損耗。



政策層面，六大行已推出專項信貸支持，單戶企業(yè)最高可獲3000萬元授信，科技型企業(yè)還可疊加知識產(chǎn)權(quán)質(zhì)押額度，年化利率低至2.78%，為產(chǎn)業(yè)落地提供資金保障。從市場反饋看，其在節(jié)能建筑、高端裝備制造等領(lǐng)域的試點應用已顯示出成本優(yōu)勢，隨著規(guī)模化生產(chǎn)的推進，有望快速替代傳統(tǒng)隔熱材料與緩沖材料，重塑行業(yè)競爭格局。



這種集“超輕、耐高溫、高彈性、易制備”于一身的材料突破，不僅是多孔材料領(lǐng)域的技術(shù)革命，更將推動極端環(huán)境裝備的設計理念升級——當材料能在2000℃高溫下“彈跳”，人類探索宇宙與深海的邊界，正被重新定義。

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來源：賢集網(wǎng)
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