第一作者：Zhen Xu

通訊作者：丁彬，劉一濤

通訊單位：東華大學

丁彬，教授，博士生導師。東華大學科研院院長，教育部“長江學者”特聘教授、國家“萬人計劃”領軍人才、愛思唯爾中國高被引學者。主要研究方向：微納米纖維材料的成型理論和結構設計及其在功能服裝、環境保護、柔性能源、生物醫用、食品安全、土工建築等領域的應用。

劉一濤，東華大學研究員，博士生導師，2018年9月起任職于東華大學。主要研究方向：無機納米纖維基柔性能源及催化材料。以課題負責人的身份主持國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金、東華大學“勵志計劃”等項目。（信息來源：https://ictst.dhu.edu.cn/2020/0413/c12891a239617/page.htm）

論文速覽

極端條件下的隔熱要求材料能夠承受複雜的熱機械應力、顯著的溫度梯度轉變和高頻熱沖擊。陶瓷氣凝膠優異的結構和功能特性使其在隔熱方面具有吸引力。然而，在極端高溫環境下（高于1500°C），它們通常表現出有限的絕緣能力和熱機械穩定性，這可能導致災難性事故，而這一問題從未得到有效解決。

本研究針對極端條件下的熱絕緣需求，開發了新型的陶瓷超隔熱氣凝膠。這種材料能夠在高達1700°C的高溫環境中保持出色的結構穩定性和隔熱性能。研究設計的陶瓷超隔熱氣凝膠通過反應靜電紡絲策略構建的交聯納米纖維網絡，實現了在極端條件下的卓越熱機械穩定性和超隔熱性能。該陶瓷超隔熱氣凝膠具有超低的熱導率0.027 W m–1 k–1，在1700°C的高溫環境中，冷表面溫度僅爲303°C。即使在從液氮到1700°C火焰的顯著溫度梯度轉換後，該氣凝膠仍能承受數千次的剪切、彎曲、壓縮等複雜形式的機械作用而不發生結構坍塌。

圖文導讀

圖1：具有聚合物類似屬性的高活性無機長鏈結構，以及通過反應電紡絲制備交聯納米纖維網絡結構的陶瓷納米纖維膜的制備過程。

圖2：前驅無機溶膠的特性，以及如何通過優化電紡絲工藝來增加交聯點，從而增強機械強度。

圖3：陶瓷超隔熱氣凝膠在室溫和經曆顯著溫度梯度轉換後的壓縮、屈曲和剪切性能，以及在高頻振動下的抗力。

圖4：陶瓷超隔熱氣凝膠的隔熱機理，不同SiO2納米顆粒氣凝膠摻雜後的熱導率，以及在1700°C下的隔熱性能和熱沖擊後的微觀結構。

總結展望

本研究開發的陶瓷超隔熱氣凝膠在極端高溫環境下展現出了卓越的熱保護性能，預期將成爲制備長期可靠的熱防護系統的關鍵材料。該材料的二元協同結構由納米纖維和納米顆粒氣凝膠組成，提供了超隔熱性能，而交聯的納米纖維網絡結構賦予了材料在寬溫度區間內長期使用的出色結構穩定性。

本研究深入描述了陶瓷超隔熱氣凝膠的設計原則和應對複雜多變環境的邏輯，爲制備極端高溫環境下的熱絕緣材料提供了參考和新的理論見解。所用原材料價格低廉，工藝簡單。如果能解決批量制備過程中硅氣凝膠顆粒的均勻加載問題，有望實現陶瓷超隔熱氣凝膠的工業化。

文獻信息

標題：Ceramic Meta-Aerogel with Thermal Superinsulation up to 1700 °C Constructed by Self-Crosslinked Nanofibrous Network via Reaction Electrospinning

期刊：Advanced Materials

DOI：10.1002/adma.202401299