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航空航天事业的快速发展对飞行器的天线罩部分提出了更高的要求，以确保内部的遥感、通讯、引爆和制导系统在极端环境下能正常运行。天线罩需要具备隔热、透波、抗热震、力学坚固、抗侵蚀等特性。然而，天线罩夹层中的隔热材料在高温下因晶粒长大导致结构坍塌和脆性断裂，严重影响使用。因此，在保证透波前提下提升材料的使用温度是当前研究的焦点。
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近日，山东大学王新强教授和谢永帅副研究员团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Thermally insulating and wave-transparent magnesium aluminum spinel nanofibers applied from −196 to 1600 °C”。硕士研究生王晓晴为本文第一作者。研究者通过分子设计和静电纺丝技术，制备出耐高温、轻质、柔性、力学坚固、隔热、透波的MgAl2O4纳米纤维 (MANFs)。最高使用温度达1600℃，超过目前报道的多数氧化物纤维材料。
图1：MANFs的制备、表征和与常用隔热材料的耐温对比。
通过溶胶凝胶结合分子设计合成了一种具有准无机/嵌段共聚物结构、可纺性和稳定性俱佳的纺丝溶胶，经静电纺丝和热处理后得到单相MgAl2O4纳米纤维(MANFs)。与常用的隔热材料莫来石、Al2O3、YSZ和SiO2纤维相比，MANFs具有更出色的耐温性，经1400℃-1h和1600℃-600s热处理后仍保持优异的力学柔性（图1h）。
图2：MANFs的微观形貌和力学性能及轻质可加工性。
通过静电纺丝技术和热处理制备的MANFs具有大长径比和柔性。纤维经1600℃-600s热处理仍然平滑无裂纹（图2b），且轻质易加工（图2d-e）。纤维经1200℃-1h热处理可以打结和折叠（图2f-g），经1300℃-1h热处理单根纤维在FIB探针下可以弯曲至曲率半径4.23μm（图2h），均显示了纤维优异的柔性。
图3：MANFs的宏观力学性能及抗疲劳性。
优异的力学性能对于防止纤维隔热材料在极端条件下出现裂缝和结构坍塌至关重要。纤维经1200℃-1h热处理后强度可达1.94MPa，超过目前报道的多数纤维的强度，且可提起自身~2500倍的重物（图3a-c）。MANFs经80%应变循环1000次仍保持结构和形貌完整，展现其优异的柔性和长期使用的潜质。惊喜的是，1600℃热处理后MANFs仍展现了优异的弹性，与传统隔热材料高温脆性断裂相比，MANFs可承受80%的压缩应变和50%的应变循环且几乎不发生变化，高温结构稳定的MANFs可在极端条件下用作特殊的隔热材料。
图4：MANFs的热学性能和隔热机理。
此外，MANFs具有优异的热学性能。与报道的多数隔热材料相比，具有较低的热导率和密度，以及更高的使用温度（图4a-c）。在实际使用中，材料需要承受超高温和超低温的极端条件而仍保持好的力学、隔热和透波等性能。MANFs在-196℃的液氮和1400℃的丁烷喷枪下急冷急热环境中可折叠卷曲，展现了优异的抗热震性能（图4d）。10mm厚的纤维可隔热1011℃，主要归因于尖晶石结构、纤维骨架结构和层状结构、孔隙和晶界等协同作用达到隔热效果（图4e-f）。
图5：MANFs的透波性能和机理分析及耐腐蚀性。
通常，材料具有低介电常数利于与空气阻抗匹配，从而减少波反射达到透波的效果。MANFs具有较低的介电常数和介电损耗（图5a），用单层介质板模型计算了MANFs在2-18GHz的透波系数 |T|2，厚度为1mm-5.5mm的MANFs在各波段|T|2均超过80%，具有良好的透波性能（图5c-e）。纤维的孔隙和MgAl2O4中弱离子极化促使材料具有透波性（图5b）。同时计算了常用隔热材料的摩尔极化率，对于透波材料的选择提供了理论参考。MANFs具有优异的耐腐蚀性，在150℃高压反应釜强酸强碱环境下纤维仍保持完整结构、形貌（图5f-h）。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724091083
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