1成果简介

　　弹性气凝胶可以通过可逆的滑动或变形来消散空气动力和热应力，从而避免应力集中导致的突然失效，因此成为高端航空航天应用中最有前途的热保护候选材料。然而，现有的弹性气凝胶由于热机械稳定性差，且在高温下热导率显著增加，因此很难在有氧环境中实现高于 1500 °C 的可靠保护。本文，东华大学印霞 教授、丁彬教授等研究人员在《ADVANCED MATERIALS》期刊发表名为“Multiphase Symbiotic Engineered Elastic Ceramic-Carbon Aerogels with Advanced Thermal Protection in Extreme Oxidative Environments”的论文，研究提出了一种多相序列和多尺度结构工程策略来合成陶瓷-碳混合纳米纤维气凝胶。
　　各组分之间的异质共生效应可同时抑制陶瓷结晶粗化和碳的热蚀刻，从而确保纳米纤维构件的热稳定性。在微观尺度上，结晶-非晶相界具有高效的载荷传递和高界面热阻，再加上中观尺度的层状蜂窝和局部闭孔结构，实现了气凝胶的快速应力消散和热能衰减。这种坚固的热保护材料系统具有超轻密度（30 mg cm–3）、60% 的可逆压缩应变、非凡的热机械稳定性（在氧化环境中可达 1600 ℃）和超低导热率（300 ℃ 时为 50.58 mW m-1 K-1），为应对未来太空探索所面临的恶劣工作环境提供了新的选择和可能性。
　　2图文导读 

　　图1。合成陶瓷-碳杂化气凝胶的多相序和多尺度结构工程策略示意图

　　图2。纳米纤维构建模块的设计策略

　　图3。LCAs的制备、形貌及晶体结构

　　图4。热稳定性能

　　图5。隔热性能
　　3小结
　　本研究提出了一种多相序列和多尺度结构工程策略，以成功制备弹性陶瓷-碳混合纳米纤维气凝胶。其优异的热力学稳定性和良好的隔热性能归功于 i) 以氢键和共价键为主的有机-无机交联网络增加了结晶能垒，同时抑制了聚合物转化碳后的晶核聚集和爆炸性晶粒生长；此外，莫来石保护游离碳免受烧蚀，确保了纳米纤维构件的热稳定性；ii) 多相界面上高效的载荷传递和显著的声子散射，以及纤维集合体的层状细胞和局部闭孔结构，共同促进了外部应力的消散和热能的衰减。在这些行为的协同作用下，气凝胶在有氧环境中能保持高达 1600 ℃ 的热机械稳定性。此外，气凝胶在 300 ℃ 时的热导率很低，仅为 50.58 mW m-1 K -1 。作者预计，这一创新战略可扩展到其他陶瓷-碳复合材料系统，为开发新型材料提供一个多功能、可行的平台，以满足热管理、热电、储能、传感技术等不同应用的需要。
　　文献：