高度稳定的气凝胶可以保护消防员和宇宙飞船免受极端高温的影响

一种新型陶瓷气凝胶，由嵌入在非晶基质中的纳米晶体组成，显示出比类似材料更好的隔热性能，以及在极端条件下更好的机械和热稳定性。这些特性可以让这种材料用于消防员的耐热服装，而其他气凝胶一直在努力应对苛刻的条件。

由六方氮化硼等陶瓷制成的气凝胶是极具吸引力的隔热材料。它们的低密度使它们的热导率低，因为热量必须在物质中传播，这也使它们成为一种吸引人的轻质包层材料。然而，陶瓷是天然的脆性，这限制了它们在应变发生的应用中使用。此外，这使得它们在极端条件下容易受到热损坏，因为当它们被要求大幅膨胀或收缩时，它们的结构可能会倒塌。研究人员此前已经表明，通过例如形成一维陶瓷纤维网络的复杂结构工程可以增强灵活性，但防止结构在非常高的温度下再结晶是困难的。

在这项新研究中，中国和美国的科学家们公布了一种“低结晶”锆石纳米纤维气凝胶，极大地减少了这些问题。研究人员使用空气湍流辅助静电纺丝方法，从锆硅前驱体中生产出一种类似棉花糖的陶瓷毡。然后他们机械地将毛毡折叠成锯齿状。最后，他们在1100°C烧结毛毡。“纺丝时的纤维气凝胶处于玻璃态，然后烧结形成纳米晶体，”解释道湘徐中国哈尔滨工业大学。光谱分析证实，所得到的材料包括嵌入在无定形锆石基质中的纳米晶体区域。

非晶态基体吸收应变，防止材料在应力作用下破裂。然而，纳米晶体域在相互滑动时受到阻碍。相反，纤维通过屈曲吸收张力。在研究人员的折叠锯齿状结构中，一种纤维的径向扩张被另一种纤维的轴向收缩所抵消。因此，宏观结构具有很高的机械稳定性和热稳定性。此外，他们的工艺将碳嵌入到材料纤维的深处，使其更不透明，能够更好地阻挡辐射和振动的热传递。这在高温下尤其重要——超过500°C的热辐射主导传热。“这种吸收通过辐射降低了热传导。(涂层)可能会在较热的一侧略微发热，但它仍然降低了整体热传导，”解释道峰段加州大学洛杉矶分校教授。

研究人员对他们的材料进行了几次测试。在其中一个实验中，他们用丁烷喷灯加热飞机发动机的燃料管。5分钟后，用商用聚酰亚胺泡沫绝缘的管子温度达到267℃，而用传统二氧化硅纤维气凝胶保护的管子温度达到159℃。相比之下，新的气凝胶将温度保持在33°C以下。研究人员认为，这种材料可以有多种用途，从消防员的服装到航天器和地下深处探测器的隔热材料。

“(这项工作)确实是极端条件下陶瓷气凝胶的一个很好的重要贡献，”他说Shenqiang任美国布法罗大学教授。“这项工作最令人印象深刻的部分包括它在宽温度范围内的接近零的热膨胀系数，这是由于它的结构之字形设计和晶体纳米材料的性质。”更重要的是，制造过程相对简单，并且具有潜在的可扩展性。他相信这一设计“可以激发下一代极限材料的发展”。