图 半晶质双零陶瓷气凝胶超弹及高温隔热性能
在国家自然科学基金项目（批准号：51921006、51878227）等资助下，哈尔滨工业大学李惠教授和徐翔教授团队与合作者在陶瓷气凝胶极端隔热材料研究方面取得进展，相关成果以“半晶质陶瓷气凝胶极端隔热材料（Hypocrystalline ceramic aerogels for thermal insulation at extreme conditions）”为题，于2022年6月29日在线发表于《自然》（Nature）期刊上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04784-0。
传统陶瓷气凝胶超隔热材料因陶瓷材料天然脆性本质，存在困扰其近百年的力热互斥瓶颈难题，陶瓷无定形态增韧会引起高温析晶粉化，力热一体化增强将降低超隔热性能，低密度特性降低声子传热却难以阻隔高温热辐射等，导致其在极端环境下隔热性能下降甚至失效。
研究团队受创新群体项目桥梁风灾三维湍流启发，发明了三维湍流辅助静电纺丝工艺，制备出高性能半晶质（Hypocrystalline）陶瓷材料及气凝胶。通过陶瓷材料巧妙的半晶质结构设计，以无定形结构作为晶界限制晶体结构滑移及晶体结构钉扎无定形结构高温蠕变，并激发材料高阶变形模式，实现了气凝胶近零泊松比（3.3×10-4）和近零热膨胀（1.2×10-7 /℃）的“双零”反常规物理性质，以及轻质、超柔韧、高热稳定性、高温超隔热和大变形感知等特性。制备的陶瓷气凝胶极端隔热材料，兼具高弹性（弹性压缩应变95%），优异的拉伸（断裂应变>40%）和弯曲（弯曲应变>90%）变形能力；在1万次高频剧烈热震（约200 ℃/s）以及长期高温（>1000 ℃）有氧暴露下强度损失及体积收缩接近零；同时，半晶质陶瓷包覆碳提高了碳材料高温抗氧化性能，有效阻隔高温热辐射，实现了“低密度”陶瓷气凝胶目前最低高温导热系数（20 mg/cm3、1000 ℃下<100 mW/m K），极大提高了轻质气凝胶材料的高温隔热性能。该成果可广泛应用于航天等领域极端、复杂服役条件下隔热保温、减重增容、节能降耗、系统安全、性能稳定，以及土木工程超大地震中结构破坏大变形监测中。