陶瓷气凝胶

哈尔滨工业大学土木学院李惠和徐翔教授在陶瓷气凝胶隔热领域取得重要研究成果，该论文于北京时间6月29日晚，以《半晶质陶瓷气凝胶极端隔热材料》（Hypocrystalline ceramic aerogels for thermal insulation at extreme conditions）为题发表在Nature（最新影响因子为69.504）上。论文链接https://www.nature.com/articles/s41586-022-04784-0 该研究为是两位教授2019年发表于Sc…

陶瓷气凝胶是迄今为止已知的最轻的固体材料，具有超低热导率、超高孔隙率和大比表面积，使其成为隔热、催化剂载体和超滤材料的理想候选材料。然而，由于低效的晶间连接和陶瓷的脆性、裂纹敏感性，传统的陶瓷气凝胶通常表现出非常低的强度和脆性。多孔材料的机械性能与其组成材料的化学键及其微观结构有关。对于陶瓷而言，强共价键和离子键通常会带来高强度，但缺乏足够的位错滑移系统，因此应力更容易集中在裂纹尖端，导致裂纹敏感性和脆性。最近，在基于柔性纳米结构的陶瓷气凝胶中实现了可逆压缩。然而，这些改性气凝胶在张力下仍然表现…

隔热材料在节能、热保护等领域具有重要意义。本文利用可控定向冷冻铸造方法制备了的气凝胶呈现各种突出的性能。包括：径向热超绝热性能、可恢复径向压缩、高轴向刚度、良好的热、化学稳定性（甚至在含氧环境中1200℃时也能稳定）。这些综合的特性保证了该气凝胶作为一种有前景的隔热材料在极端环境下的安全应用。 具有优异机械强度、高效率、出色的热稳定性和化学稳定性的隔热材料对于节能和热保护的安全应用建筑、工业和航空航天领域具有重要意义。与传统的绝热材料相比，陶瓷气凝胶由于其低的热导率（例如二氧化硅气凝胶热导率为1…

拥有优良机械性能的阻热材料被广泛应用于建筑、工厂以及航天飞行器等。相比传统的阻热材料，陶瓷气凝胶拥有优良的化学稳定性和阻热性能（热传导率仅为12-20 mW/m·K），因此，陶瓷气凝胶在阻热领域有十分广阔的应用前景。但是陶瓷气凝胶质地十分脆，在高温下会导致结构上的破坏，这些缺点限制了陶瓷气凝胶的应用。 为了解决这些缺陷，近几年的研究都集中在利用纳米材料制作阻热气凝胶，如氧化物纳米纤维海绵、Si3N4纳米带状气凝胶等等。由纳米材料组合而成的气凝胶虽然提升了气凝胶的机械性能，但是纳米纤维组装过程中形…

日前，哈尔滨工业大学土木工程学院李惠教授课题组徐翔副教授以第一作者身份在国际着名期刊《科学》（Science，2018年影响因子为41.058）上发表了题为《双负陶瓷气凝胶超隔热材料》（Double-negative-index ceramicaerogels for thermal superinsulation）的科研论文，李惠教授和加州大学洛杉矶分校段镶锋教授、黄昱教授三人为共同通讯作者，团队研制出了一种超轻且极其耐用的陶瓷气凝胶，新材料可耐受极端高温并能承受温度的剧烈变化，未来有望用于航天器的隔热保护等。哈工大研发新型陶瓷气凝胶将有望用于航天器隔热该研究成果被剑桥大学Manish Ch

陶瓷气凝胶由于其低密度和热导率，化学和热力学惰性，高孔隙率和大表面积等优异特性而被认为是良好的隔热材料。然而这些陶瓷气凝胶多为刚性和脆性，在断裂之前只有轻微的弹性变形，因此提高陶瓷气凝胶的机械稳定性和热稳定性就成为其在隔热领域进一步发展应用的主要研究。近期，哈尔滨工业大学的Hui Li等人和加州大学洛杉矶分校的黄昱、段镶锋合作合成了具备超轻、高力学强度和超级隔热三大特点的氮化硼（hBNAGs）以及碳化硅（βSiCAGs）陶瓷气凝胶材料。在这项研究中，设计并合成的陶瓷气凝胶具有纳米双层玻璃壁的双曲线结构，并且其具有负泊松比（-0.25）和负的线性热膨胀系数（-1.8×10-6 /°C）。此种气凝

该研究成果基于5年的石墨烯气凝胶基础研究，并历时2年完成。该论文第一作者、哈尔滨工业大学土木工程学院副教授徐翔向《中国科学报》介绍，前期的基础研究完成了石墨烯气凝胶的超弹性、负泊松比、超轻、导电、流体行为、耗能行为等研究。于是，研究团队在负泊松比增强石墨烯气凝胶变形特性的研究基础上，采用在石墨烯气凝胶模板原位沉积陶瓷的CVD技术，并通过加热刻蚀模板的方法，使得制备所得的陶瓷气凝胶不但获得了负泊松比特性，并通过孔壁的“双壁”亚结构，同时实现了陶瓷气凝胶的负热膨胀特性，从而极大增强了陶瓷气凝胶的力学及热学等性能。据了解，与聚合物和环氧树脂不同，陶瓷材料不易熔化、分解或软化；与诸如有机物的其他物质相

自1931年氧化硅气凝胶问世以来，陶瓷气凝胶就以其低密度、高气孔率、大的比表面积、优异的抗氧化性能和热稳定性，在高温隔热、催化剂载体、过滤和轻质结构材料等领域展现出广泛的应用前景。但是，传统的陶瓷气凝胶基本都是由氧化物纳米颗粒构成，其实际应用往往受限于陶瓷材料的脆性和高温下的体积收缩（氧化硅气凝胶的尺寸稳定温度在600oC以下）。而陶瓷材料的脆性是由于其强的结合引起的，若想改善其力学性能，必须从材料的微观结构上下功夫。针对上述问题，西安交通大学材料学院王红洁教授课题组采用化学气相沉积的方法，利用碳化硅陶瓷纳米线的原位生长及自组装，构筑了一种超轻、可压缩回复、耐高温的陶瓷气凝胶。其密度仅为5 m