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(shí)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(qiáng)的同時(shí)犧牲隔熱性能，以及低密度降低聲子傳熱的同時(shí)無法有效阻隔高溫?zé)彷椛涞?，難以滿足實(shí)際極端環(huán)境熱控制需求。
鑒于此，本文報(bào)道了一種氣凝膠多尺度超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備方法，采用半晶質(zhì)（hypocrystalline）陶瓷材料設(shè)計(jì)結(jié)合zig-zag宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shí)，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)材料的多尺度超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(zhǎng)期高溫（>1000℃）有氧暴露下強(qiáng)度損失及體積收縮幾乎為零；此外，半晶質(zhì)陶瓷對(duì)碳展現(xiàn)了更強(qiáng)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?，?shí)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(bǔ)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(shí)具備電容式自感知特性，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隔熱材料的結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)一步增強(qiáng)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(jì)
圖二、渦流場(chǎng)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(duì)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(diǎn)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(gè)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(shí)，采用自制的氣動(dòng)熱沖擊測(cè)試系統(tǒng)測(cè)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(qiáng)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(duì)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(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體和面上項(xiàng)目、黑龍江省頭雁行動(dòng)人才計(jì)劃和哈工大青年拔尖教授計(jì)劃等項(xiàng)目的支持，成果對(duì)滿足我國(guó)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(shí)用價(jià)值。

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