哈工大最新Nature，超穩定熱絕緣亞晶陶瓷氣凝膠！

一、【導讀】

極端條件（超過1,000 ℃）下的隔熱，如復雜的機械載荷和深空和深地環境中的大溫度梯度，需要可靠的結構穩定性和優異的隔熱能力。陶瓷氣凝膠具有超絕緣能力，其導熱系數（κ）小于靜止空氣（26 ?mW ?m^-1 ?K^-1)。然而，由于陶瓷氣凝膠固有的脆性，其通常在較大的機械應力或熱沖擊下發生嚴重的強度退化和結構坍塌，這可能導致其失去隔熱性能，并在極端條件下導致災難性破壞。因此，在極端條件下保持穩健的結構穩定性是保持其可靠隔熱的關鍵。

二、【成果掠影】

近日，哈爾濱工業大學李惠教授、徐翔教授聯合美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）段鑲鋒教授報道了一種具有鋸齒形結構的亞晶鋯石納米纖維氣凝膠的多尺度設計，該氣凝膠在高溫下具有優異的熱機械穩定性和超低的熱導率。氣凝膠顯示出接近零的泊松比（3.3?×?10^-4）和接近零的熱膨脹系數（1.2?×?10^-7/℃），確保了優異的結構靈活性和熱機械性能。它們在劇烈的熱沖擊和高工作溫度（高達1300攝氏度）后，具有極高的熱穩定性和極低的強度退化（ < 1%）。通過有意將殘留的碳物質包裹在亞晶鋯石纖維中，大大減少了熱輻射傳熱，并實現了迄今為止陶瓷氣凝膠中最低的高溫導熱系數之一，在1000 ℃下為104 mW/m·K。熱機械性能和隔熱性能的結合為極端條件下的堅固隔熱可以為極端條件下的多種應用提供可靠的隔熱材料。該論文以題為“Hypocrystalline ceramic aerogels for thermal insulation at extreme conditions”發表在知名期刊Nature上。

三、【數據概覽】

圖一、亞晶陶瓷納米纖維氣凝膠的多尺度設計

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圖二、亞晶ZAGs的制備工藝及材料表征

圖三、亞晶ZAGs的機械性能表征

圖四、ZAGs的熱穩定性和保溫性能

四、【成果啟示】

本研究展示了具有鋸齒形結構的亞晶鋯石納米纖維氣凝膠（ZAGs）的多尺度設計和合成，以制備泊松比接近零、熱膨脹系數接近零的熱力超材料。由此產生的材料具有優異的熱機械穩定性和傳統陶瓷氣凝膠無法企及的高溫隔熱性能，從而重新定義了一種在極端條件下（如航天器、月球和火星基地、深地探測器、熔爐、太空和防火服）的堅固隔熱材料系統。此外，雙近零指數氣凝膠還為應變敏感電子器件、光學器件和超導器件的熱管理提供了機會。

文獻鏈接：Hypocrystalline ceramic aerogels for thermal insulation at extreme conditions (Nature 2022, 606, 909-916)

本文由大兵哥供稿。

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