一、研究背景
极端条件下的隔热，如复杂的机械载荷和深空及深层地球环境中的大热梯度，需要可靠的结构稳定性和卓越的隔热能力。陶瓷气凝胶具有超强的隔热能力，其导热系数(κ)低于静止空气(26 mW m-1 k-1)。然而，由于其固有的脆性，陶瓷气凝胶在较大的机械应力或热冲击下通常会出现严重的强度下降和结构崩溃，这可能会严重损害隔热性能，并在极端条件下导致灾难性故障。因此，在极端条件下保持坚固的结构稳定性是可靠隔热的关键挑战。迄今为止的研究表明，陶瓷气凝胶的机械性能可以通过精细的结构工程得到显著增强。例如，由一维纤维构成的陶瓷气凝胶可以通过物理缠绕或化学结合形成柔性多孔框架，这不仅可以产生压缩弹性，更重要的是，还可以产生额外的拉伸性和弯曲性。然而，由于随机缠绕结构和相邻纤维之间的错位，纤维陶瓷气凝胶仅表现出高达80%应变的弹性可压缩性，但仍然具有相当大的结构退化。为了应对这一挑战，专门设计的泊松比(ν)的结构可以显著提高性能指标。特别地，接近零的ν可以帮助最小化或消除由纵向变形引起的过度应力，并且实现接近零的横向应变，这可以在纤维结构中提供最佳的机械柔性。除了机械柔性之外，热稳定性是在极端条件下设计用于隔热的陶瓷气凝胶的另一个关键因素。由于结晶诱导的粉化、抗氧化性不足以及在大的热梯度或高温暴露下的大热膨胀系数(α)行为，陶瓷气凝胶通常表现出弱的热稳定性，具有严重的强度退化和结构塌陷。通过调整陶瓷材料的元素组成或晶体结构，可以改善结晶抑制和抗氧化性。然而，当与机械性能和结构几何配置结合时，热膨胀行为更难以调节。受负α策略的启发，具有接近零α的陶瓷气凝胶可以进一步消除不匹配的组件应变并抑制热机械应力，以确保优异的热稳定性。
极端条件下的可靠隔热要求在很宽的温度范围内具有机械柔性、高热稳定性和低热导率的特殊组合。对于大多数陶瓷气凝胶，这些关键材料参数中的一些表现出内在的相互权衡。例如，典型陶瓷气凝胶的超低密度特性有利于大大抑制固体传导，从而在室温下实现超低κ，但会大幅增加热辐射热传递，并导致高温(例如1000°C以上)下的κ更高，这显然更适合极端条件下的操作。特别是，热辐射与材料密度的倒数和开尔文温度的三次方成线性比例关系，这在500°C以上的温度下成为主要的热传导。大多数陶瓷气凝胶由于其低密度和低红外辐射吸收率，在1000°C左右表现出相当高的约200 mW m-1K-1的κ。减少热辐射热传递的潜在策略是加入吸收和反射红外辐射的材料，例如碳或二氧化钛。然而，碳通常可以在高温下被热蚀刻，而二氧化钛由于其软化作用会降低气凝胶的结构稳定性。因此，在典型的陶瓷气凝胶中实现优异的高温隔热性能同时保持稳健的热机械稳定性是一个挑战。
二、研究成果
极端条件下的隔热要求材料能够承受复杂的热机械应力，并在超过1000摄氏度的温度下保持出色的隔热性能。陶瓷气凝胶是有吸引力的隔热材料；然而，在非常高的温度下，它们通常表现出显著增加的导热性和有限的热机械稳定性，这可能导致灾难性的故障。为解决这个难题，哈尔滨工业大学李惠教授、徐翔教授和加州大学洛杉矶分校段镶锋教授等人 道了一种多尺度设计的亚晶锆石纳米纤维气凝胶，它具有之字形结构，在高温下具有优异的热机械稳定性和超低热导率。气凝胶显示出接近零的泊松比(3.3×10-4)和接近零的热膨胀系数(1.2×10-7每摄氏度)，这确保了优异的结构灵活性和热机械性能。它们表现出高的热稳定性，在剧烈热冲击后强度下降极低(不到1%)，工作温度高(高达1300摄氏度)。通过故意将残余碳物种截留在构成亚晶锆石纤维中，大大减少了热辐射热传递，并实现了迄今为止陶瓷气凝胶中最低的高温热导率之一——1000摄氏度时每开尔文每米104毫瓦。热稳定性和热绝缘性能的结合为极端条件下的坚固热绝缘提供了一个有吸引力的材料系统。相关研究工作以“Hypocrystalline ceramic aerogels for thermal insulation at extreme conditions”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。
三、图文速递
图1. 亚晶陶瓷纳米纤维气凝胶的多尺度设计
图2. 亚晶ZAGs的制备工艺和材料表征
图3. ZAGs力学性能表征
图4. ZAGs的热稳定性和隔热性能
四、结论与展望
在这项研究中，具有之字形结构的多尺度设计的亚晶锆石纳米纤维气凝胶产生了具有接近零的泊松比和接近零的热膨胀系数的热机械超材料。由此产生的材料具有优异的热机械稳定性和高温隔热性能的独特组合，超出了典型陶瓷气凝胶的范围，从而定义了一种在极端条件下隔热的坚固材料系统，如航天器、月球和火星基地、深空探测器、熔炉以及太空和消防服。此外，双近零折射率气凝胶还为应变敏感电子器件、光学器件和超导器件的热管理提供了机会。祝贺哈工大，实力铸就辉煌！
五、文献
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04784-0
文献原文：
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