極端條件（例如深空和深地等環(huán)境中復(fù)雜機(jī)械載荷和劇烈溫度變化）下的熱控制，要求隔熱材料具備優(yōu)異的熱-力學(xué)特性和隔熱性能。傳統(tǒng)陶瓷氣凝膠超隔熱材料存在困擾其近百年的“力熱互斥”瓶頸難題，例如陶瓷無定形態(tài)增韌的同時引發(fā)高溫析晶粉化，低熱膨脹效應(yīng)受困于結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型和力學(xué)特性，力熱協(xié)同增強的同時犧牲隔熱性能，以及低密度降低聲子傳熱的同時無法有效阻隔高溫?zé)彷椛涞龋y以滿足實際極端環(huán)境熱控制需求。
鑒于此，本文報道了一種氣凝膠多尺度超結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備方法，采用半晶質(zhì)（hypocrystalline）陶瓷材料設(shè)計結(jié)合zig-zag宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計，賦予陶瓷氣凝膠近零泊松比（3.3×10-4）和近零熱膨脹（1.2×10-7/℃）的“雙零”反常規(guī)物理性質(zhì)，從而獲得了輕質(zhì)超柔韌、高熱穩(wěn)定性及高溫超隔熱等特性。
同時，研究團(tuán)隊創(chuàng)新提出了一種“氣體湍流”輔助靜電紡絲直接制備三維納米纖維陶瓷氣凝膠的方法，拓展了傳統(tǒng)靜電紡絲制備二維膜材料的束縛，為實現(xiàn)材料的多尺度超結(jié)構(gòu)設(shè)計、高性能、大規(guī)模及低成本制備提供了新思路和新方法。該材料彈性可恢復(fù)壓縮應(yīng)變高達(dá)95%，兼具優(yōu)異的拉伸（斷裂應(yīng)變>40%）和彎曲（彎曲應(yīng)變>90%）變形能力；1萬次高頻劇烈熱震（約200℃/s）以及長期高溫（>1000℃）有氧暴露下強度損失及體積收縮幾乎為零；此外，半晶質(zhì)陶瓷對碳展現(xiàn)了更強的包覆能力，提高了碳材料的高溫抗氧化性能，從而有效阻隔了高溫?zé)彷椛?，實現(xiàn)了“低密度”陶瓷氣凝膠目前最低高溫導(dǎo)熱系數(shù)（20mg/cm3、1000℃下小于100mW/mK），彌補了輕質(zhì)氣凝膠材料在高溫隔熱領(lǐng)域的短板。該材料同時具備電容式自感知特性，可實時監(jiān)測隔熱材料的結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)一步增強了熱控制系統(tǒng)的安全可靠性。圖一、亞晶陶瓷納米纖維氣凝膠的多尺度設(shè)計
圖二、渦流場輔助-靜電紡絲及ZAGs制備工藝圖示
圖三、ZAGs力學(xué)性能表征
對于熱穩(wěn)定性的研究，考慮到次晶鋯固有的高抗氧化性和熱穩(wěn)定，研究重點放在ZAG熱膨脹系數(shù)上。研究結(jié)果表明，ZAG的熱膨脹系數(shù)在200°C以下為1.2×10   -7 ?°C -1，溫度升高至400°C以上仍只有1.6×10   -7 ?°C -1，這個接近零的熱膨脹系數(shù)可以減少纖維之間的應(yīng)變失配，并阻止已經(jīng)連接良好的纖維的分離和分解。同時，采用自制的氣動熱沖擊測試系統(tǒng)測量了ZAG在快速熱沖擊和高溫下的熱穩(wěn)定性。樣品在 10,000 次熱沖擊循環(huán)后保持其原始形態(tài)，極限應(yīng)力幾乎保持不變，強度退化幾乎不超過 1%，說明具有出色的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和對劇烈溫度循環(huán)的抗性。
圖四、ZAGs的熱穩(wěn)定性及隔熱性能
該研究為徐翔和李惠教授2019年發(fā)表于《科學(xué)》（Science, 2019, 363, 723-727）的文章《雙負(fù)陶瓷氣凝膠超隔熱材料》的延伸工作，得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體和面上項目、黑龍江省頭雁行動人才計劃和哈工大青年拔尖教授計劃等項目的支持，成果對滿足我國航天等領(lǐng)域在極端、復(fù)雜服役條件下的隔熱保溫、減重增容、節(jié)能降耗、系統(tǒng)安全和性能穩(wěn)定，具有重要的科學(xué)意義和實用價值。

海南隔熱材料