刷新记录，解决传统难题！西交重磅成果，登上Nature子刊！

研究背景

开发在压缩、拉伸和弯曲变形下同时具有强韧性和柔韧性的绝热材料，对深海和航天飞行器的保温和热防护具有重要意义。陶瓷气凝胶具有密度低、导热系数低、热稳定性好等优点，是一种极具吸引力的保温材料。然而，传统的由氧化物纳米颗粒组成的陶瓷气凝胶通常表现出较低的强度和脆性，这是由于陶瓷的弱晶间颈结和脆性。为了增强和增韧陶瓷气凝胶，人们制造了聚合物交联陶瓷气凝胶和纤维增强陶瓷气凝胶，以提高其强度和可变形性，然而，这些材料存在热不稳定性或严重的粉尘释放问题，阻碍了它们的实际应用。

成果简介

陶瓷气凝胶是一种高效、轻质、化学性质稳定的保温材料，但其脆性和低强度的特点阻碍了其应用。柔性纳米结构组装可压缩气凝胶克服了材料的脆性，但其强度仍然较低，导致其承载能力不足。近日，西安交通大学王红洁教授、贾书海教授等人设计并制造了一种层状SiC-SiO_x纳米线气凝胶，它具有可逆的压缩性、可恢复的屈曲变形、延展性的拉伸变形，同时强度比其他陶瓷气凝胶高出一个数量级。气凝胶在液氮中- 196℃至丁烷喷枪中1200℃以上的温度范围内均表现出良好的热稳定性，热导率为39.3±0.4 mW m⁻¹ K⁻¹，具有良好的保温性能。

这些综合性能使气凝胶成为机械坚固和高效的柔性保温材料的有希望的候选者。这项工作以“Strong yet flexible ceramic aerogel”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。祝贺！

图文导读

图1. SiC-SiO_x纳米线气凝胶的制备工艺、形成机理及宏观形貌

图2. SiC-SiOx纳米线气凝胶的微观结构

在这里，作者报道了一种层压SiC-SiOx纳米线气凝胶，它在压缩、拉伸和弯曲变形下表现出机械稳健性和柔韧性，具有良好的隔热性能，并且在很宽的温度范围内具有热稳定性。层合气凝胶表现出可逆的压缩性、韧性的拉伸变形、可恢复的弯曲性和可恢复的屈曲变形。其抗压模量为222±32.7 kPa, 80%应变时的抗压应力为1255±116.3 kPa，抗拉应力为399±83.4 kPa，模量为4855±111.0 kPa，抗折强度为261±11.4 kPa，比其他弹性陶瓷气凝胶提高了几倍至几十倍，在不同变形下的承载能力都有所提高。在1200°C的丁烷喷灯和- 196°C的液氮温度下，灵活性也保持不变。层合气凝胶的导热系数为39.3±0.4 mW m⁻¹ K⁻¹，与蚕茧相当，具有良好的保温性能。这种很少报道的综合性能使气凝胶成为高效和机械坚固的隔热材料的有前途的候选者之一。

作者使用自制的密度约为5.7 mg cm⁻³的具有高度可压缩性和可拉伸性的SiC-SiOx纳米线气凝胶纸作为原料制备层压SiC-SiOx纳米线气凝胶，且采用化学气相沉积法制备原料SiC-SiOx纳米线气凝胶纸。为了实现层状微观结构的构建，作者提出了一种简便的毛细管力诱导自组装方法。图1a示出了层压陶瓷气凝胶的制备过程。首先，将原始气凝胶纸切成小块，然后逐层堆叠，形成大块气凝胶。将大块气凝胶浸泡在乙醇中。充分渗透后，将气凝胶取出，然后自然干燥。在干燥过程中，乙醇蒸发过程中，纳米线在毛细力的作用下发生自组装，形成层状SiC-SiOx纳米线气凝胶。图1b为制备好的层状气凝胶站在叶片表面的宏观形貌，从中可以明显观察到气凝胶的层状结构。

图3. 层合SiC纳米线气凝胶的力学性能

图4. 层压气凝胶在压缩和拉伸作用下的变形机理

图5. 层压气凝胶的热稳定性和绝热性

为了了解变形机理，作者在扫描电镜下进行了现场压缩和拉伸试验。如图4a所示，随着压缩应变的增大，SiC纳米线层被压缩得越来越薄，波纹层变得越来越直。在此过程中，纳米线层表现出轻微的弯曲变形行为，但却表现出大位移协同运动(图4b)，这与随机结构的气凝胶中纳米线的大屈曲和弯曲变形明显不同。这种差异归因于层压结构中单个纳米线周围和相邻层之间更严格的约束，这可能增加纳米线的变形抗力，从而提高气凝胶的模量和强度。尽管层压气凝胶的抗变形能力增加，但其高孔隙率(~98%)仍然可以为纳米线提供足够的移动空间。因此，压缩应变仍然可以很大。在卸载过程中，得益于纳米线的柔韧性，纳米线层几乎可以恢复到初始状态(图4a)。

然后作者评估了层压气凝胶的热稳定性。如图5a所示，气凝胶在液氮中- 196℃时仍能保持其可逆弯曲性。在丁烷喷灯的火焰下(温度高达1200°C)，可逆的可弯曲性也保持不变(图5b)。这些结果表明，在较宽的温度范围内，SiC-SiOx纳米线气凝胶具有良好的机械柔韧性和热稳定性，这可归因于层压SiC-SiOx纳米线气凝胶的陶瓷性质。

本文采用丁烷喷灯作为高温热源，对其保温性能进行了评价。利用热成像仪记录了厚度为10mm的层压气凝胶背面的温度分布。虽然丁烷喷灯的最高温度可高达1200℃以上，但其背面的稳定温度仅为~135℃(图5c)，说明层压气凝胶是一种极具吸引力的隔热材料。

总结展望

综上所述，作者展示了SiC-SiOx纳米线气凝胶的层压微观结构设计策略，以解决陶瓷气凝胶的机械坚固性，可变形性和隔热性之间的冲突。这种合理的结构设计既提高了纳米线的变形和运动阻力，又保持了纳米线的柔韧性。它还产生了一种各向异性导热行为，以减少沿垂直于层压层方向的热通量传输。这些综合的机械和热性能使气凝胶成为一种坚固而灵活的隔热材料，适用于会发生压缩、拉伸、弯曲和屈曲变形的条件，例如用于航空航天飞行器的动态热密封材料以及用于月球探测器和深海潜水器的隔热材料。

文献信息

Strong yet flexible ceramic aerogel. (Nat. Commun. 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-42703-7)

https://www.nature.com/articles/s41467-023-42703-7

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