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陶瓷气凝胶以其低密度、低热导率和优异的耐火、耐腐蚀特性被认为理想的隔热材料。然而，陶瓷脆性本质以及高温析晶等行为，使得陶瓷气凝胶在热震或者长期的高温暴露中表现出严重的强度退化甚至结构坍缩等问题。
为了解决上述挑战，哈尔滨工业大学徐翔教授，多年来致力于气凝胶超隔热材料的研究与应用。以共同第一及通讯作者发表Science和Nature等高水平SCI论文30余篇。本次内容，易丝帮梳理了徐教授关于陶瓷气凝胶材料的3篇重要研究成果，供大家了解。
2019年2月，徐翔教授以第一作者身份在《Science》上发表了题目为“Double-negative-index ceramicaerogels for thermal superinsulation”的研究，报道了一种具有双曲、双壁微观结构的多晶氮化硼（hBNAGs）和碳化硅（βSiCAGs）陶瓷气凝胶材料，同时具有负泊松比和负热膨胀特性，具备超轻、超弹、高热稳定性和优异隔热等四大特点。
本研究中，采用模板无催化化学气相沉积方法制备合成了hBN和βSiC陶瓷气凝胶材料。这类陶瓷材料由纳米层状双壁孔结构组成，整体呈现出双曲结构形态。这些特殊“超结构”设计赋予材料负泊松比（-0.25）以及负线性热膨胀（-1.8×10-6/K）特性，使得材料在维持热稳定性的同时依然能表现出优异的可变形性。
2022年6月，徐翔教授团队在《Nature》上发表题目为“Hypocrystalline ceramic aerogels for thermal insulation at extreme conditions”的研究论文，报告了具有锯齿形结构的半晶质(hypocrystalline)纳米纤维气凝胶(ZAGs)的多尺度设计，该气凝胶在高温下具有出色的热机械稳定性和超低导热率。气凝胶显示出近零泊松比（3.3×10−4）和近零热膨胀系数（1.2×10-7 ℃-1），确保了出色的结构灵活性和热机械性能。它们在剧烈热冲击后表现出高热稳定性和超低强度退化，以及高工作温度。
在这项研究中，徐教授首先创新的提出了一种“气体湍流”辅助静电纺丝直接制备三维(3D)纳米纤维陶瓷气凝胶的方法，拓展了传统静电纺丝制备二维(2D)膜材料的束缚，为实现材料的多尺度超结构设计、高性能、大规模及低成本制备提供了新思路和新方法。然后，通过简单的预结晶工艺，在1100℃空气中热退火制备了半晶质 ZAGs。通过在成分半晶质锆石纤维中故意截留残余碳物质，大大减少了热辐射传热，并实现了迄今为止陶瓷气凝胶中最低的高温热导率之一—在1000°C时仅为104 mW m-1 K-1。
2024年12月，徐翔教授等人在《Advanced Materials》发表了题目为“Highly‐Buckled Nanofibrous Ceramic Aerogels with Ultra‐Large Stretchability and Tensile‐Insensitive Thermal Insulation”的论文，报道了一种由高度弯曲的纳米纤维构建超可拉伸陶瓷气凝胶。该气凝胶具有拉伸应变高达150%的超强拉伸性及拉伸应变达80%的高拉伸恢复性。此外，该气凝胶还表现出接近零的泊松比 (4.3 × 10−2) 和接近零的热膨胀系数 (2.6 × 10−7/°C)，从而具有出色的热机械稳定性。受益于这种超拉伸性，气凝胶表现出独特的拉伸不敏感隔热性能，在 1000 °C 时热导率仅保持约 106.7 mW m−1 K−1。
高屈曲纳米纤维的陶瓷气凝胶制备方法：
1、研究者通过引入偏轴喷丝器，对两种具有不同弹性模量(E)的高分子聚合物的Zr-Si前驱体溶液（2种聚合物，1种溶剂）进行静电纺丝，诱导沿轴向的不对称变形。
2、然后，在1100℃的空气中煅烧后，屈曲的陶瓷纳米纤维相互缠结，形成气凝胶结构。
3、进一步将其中一种溶剂进行更换，即采用2种聚合物和2种溶剂方法纺丝，由于溶液的挥发速度不同，加剧了纳米纤维的不对称变形，纳米纤维表现出高度弯曲扭转的屈曲结构。
综述所述，陶瓷气凝胶材料具有优异的拉伸变形能力、热机械稳定性和高温隔热性能的独特组合，从而定义了一种可用于极端条件下极具吸引力的隔热材料系统，例如用于航空/航天器，月球/火星基地、锂电池、工业炉和太空/消防服。
徐翔，国家优青，哈尔滨工业大学土木工程学院教授、博士生导师。博士毕业于哈尔滨工业大学，师从李惠院士，曾在美国加州大学洛杉矶分校和哥伦比亚大学从事博士后研究工作。主攻气凝胶超隔热材料及智能感知材料的研究与应用，主持国家及省部级课题10余项，以共同第一及通讯作者发表Science和Nature等高水平SCI论文30余篇（全部为中科院一区），5篇为ESI高被引论文。获2021年黑龙江省自然科学一等奖（排2）及2024年中国硅酸盐学会青年科技奖等奖励5项。
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