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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

文章來源：賢集網更新時間：2025-09-15 15:14:44

在材料科學領域，極端環境適應性材料的研發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，突破了傳統多孔材料的應用邊界，為航空航天、新能源等戰略領域提供了全新解決方案。以下從結構創新、制備原理、性能突破及應用前景四個維度，系統解析這一材料的技術內核與產業價值。

一、穹頂革命：多孔材料的結構范式突破

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境穩定性的矛盾。微穹頂氣凝膠通過引入微米級穹頂曲面孔隙結構，重構了材料的力學響應機制。

傳統氣凝膠的孔隙多為蜂窩狀或棱角分明的剛性結構，在外力作用下易產生應力集中導致碎裂。而微穹頂結構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計算機模擬驗證，是傳統結構的10倍以上。這種“曲率智慧”使其在數萬次循環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，實現了性能互補：石墨烯抑制陶瓷高溫下的重結晶，陶瓷則防止石墨烯片層在超高溫下的滑移。這種協同作用使材料可在-268℃（4.2開爾文）至2000℃（2273開爾文）的寬溫域內保持結構穩定，遠超傳統氣凝膠的耐受極限。

二、受限發泡：從實驗室到產業化的普適路徑

微穹頂氣凝膠的制備突破源于二維通道受限發泡法的創新，其原理靈感雖源自“大象牙膏”實驗中的發泡現象，但通過精準調控實現了工業化潛力。

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泡劑后，氧氣泡在片層夾層內成核、生長，受兩側石墨烯片的限制，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。

更關鍵的是其材料普適性：通過改變前驅體成分，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。甚至可實現高熵材料設計，將組分調控至含30種元素的高熵態，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勢體現在極端環境下的綜合表現，其核心指標已實現對現有材料的跨代超越。

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100次超高溫熱沖擊后結構無明顯劣化。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：經數萬次循環壓縮測試，力學性能衰減率低于5%，遠超傳統氣凝膠的脆性斷裂閾值。這種“可變形+抗沖擊”的雙重特性，使其在能量緩沖領域展現潛力，例如作為精密儀器的減震材料或極端環境下的結構支撐件。

四、賽道卡位：新能源與空天領域的戰略機遇

微穹頂氣凝膠的產業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鍵增長點。

在航空航天領域，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。在新能源領域，其高效隔熱性能可優化鋰電池的熱管理系統，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，單戶企業最高可獲3000萬元授信，科技型企業還可疊加知識產權質押額度，年化利率低至2.78%，為產業落地提供資金保障。從市場反饋看，其在節能建筑、高端裝備制造等領域的試點應用已顯示出成本優勢，隨著規模化生產的推進，有望快速替代傳統隔熱材料與緩沖材料，重塑行業競爭格局。

這種集“超輕、耐高溫、高彈性、易制備”于一身的材料突破，不僅是多孔材料領域的技術革命，更將推動極端環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
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