发布时间：2026-06-29 14:12:49 人气：0次
航空航天系统在极端条件下运行，面临快速温变、深空低温和强电磁辐射等多重挑战，对结构材料提出轻质、热稳定、高强度和电磁屏蔽等严苛要求。传统热防护系统多采用高密度刚性设计，效率与适应性受限。陶瓷气凝胶虽具备超低密度、高孔隙率和优异热绝缘性，是理想候选材料，但其固有脆性和较差的热机械可靠性制约了实际应用。
近日，浙江农林大学孙庆丰教授团队联合武汉大学陈朝吉教授团队，以纤维素纳米片为柔性基元，协同碳化硅纳米颗粒和碳纳米管，构筑层级微卷轴网络，制备出SiC@CNTs/CN陶瓷气凝胶。该材料将刚性颗粒网络转化为可弯曲、可滑移的纤维化结构，实现超轻、超弹、隔热、耐极端温度与宽频电磁屏蔽的协同集成。气凝胶密度仅0.303 mg/cm³，可承受95.13%压缩应变；在8.2–40 GHz范围内平均电磁屏蔽效能达56.95 dB；真空热导率低至3.6 mW/(m·K)，并在-196℃至1300℃环境下保持结构稳定，为航空航天极端环境多功能材料设计提供了新思路。相关研究成果以“Transformative Powder Fibration toward Hierarchical Ceramic Aerogels for Multifunctional Aerospace Systems”为题发表在《Advanced Materials》期刊上，文章第一作者为李莹莹。
大多数陶瓷气凝胶是由纳米粒子构成的框架结构。这种结构也限制了其变形能力，导致能量耗散能力减弱，并且容易产生微裂纹。虽然已经研究了多种增强方法，如添加纤维和多相设计等，但这些方法主要依赖于改变材料成分，而非从根本上重新调整变形机制。因此，开发出能够在极端条件下同时具备超弹性、热机械稳定性及多功能性的陶瓷材料，仍然是一个重要的挑战。
研究人员介绍了一种基于滚动诱导纤维化的分层结构陶瓷气凝胶的制备技术。该技术将 SiC 纳米颗粒、碳纳米管以及纤维素纳米片组装成复杂的微卷状结构。这种结构将传统的基于颗粒的框架转变为一种可变形、具有纤维结构的网络，能够通过弯曲、滑动和可逆接触来适应应变。因此，这种气凝胶具有负的泊松比，当微卷结构展开时会出现负热膨胀现象，同时在加热过程中结构会松弛。此外，这种多尺度多孔结构和异质界面促进了多次散射和延长的电磁传播路径，从而实现了有效的电磁干扰抑制。最终，SiC@CNTs/CN 气凝胶表现出超低的密度（约 0.303 mg cm−3），以及超弹性特性（在 95%的应变下仍能恢复弹性）。此外，该材料在从-196°C 到 1300°C 的广泛温度范围内仍具有出色的热稳定性。其高屏蔽效率（SSE/t 约为 1.7×105dB cm2g−1）使得其能够有效衰减电磁波。这些综合特性为在极端航空航天环境下使用的多功能陶瓷气凝胶材料开创了全新的设计思路。
SiC@CNTs/CN 气凝胶的制备遵循三个核心原则：
(i) 结构成分：SiC 纳米颗粒、碳纳米管以及 CN 化合物构成了气凝胶的主要结构单元。按照先前的方法[26-28]合成的二维 CN 化合物，作为柔韧而坚固的基质，形成连续的三维结构，从而构成了气凝胶的机械骨架。
(ii) 界面工程：碳纳米管与 CN 化合物之间紧密相连的网络，为它们与 SiC 纳米颗粒之间提供了强大的相互作用，确保了在弹性基质中的均匀分散性和结构稳定性。
(iii) 分层孔隙结构：相互连接的微卷结构形成了三维多孔结构，其中包含内部空隙和间隙，这些孔隙能够有效抑制热传导过程，减少声子散射和传导路径的曲折程度。
这些设计特点使得这种气凝胶能够在极端条件下具备超轻质的特性、良好的机械强度、良好的隔热性能以及多功能性。
图 1 SiC@CNTs/CN的制备及其形貌结构表征。
图 1a 展示了制造过程示意，突出了碳纳米管在结构演变中的关键作用。微卷结构是通过界面应力、收缩引起的变形以及毛细力等多种因素共同作用而形成的。在冷冻过程中，SiC 纳米颗粒被固定在碳纳米管上（图 1b），从而产生不对称的界面应力，引发纳米片的不稳定性。在冻干过程中，由于冰的升华作用导致的各向异性收缩会导致局部变形，并促使纳米片卷曲（图 1c）。同时，毛细力在溶剂去除过程中进一步促进了纳米片的弯曲和折叠。这些相互作用使得二维的碳纳米管转化为稳定的纤维状微卷结构，最终形成三维的互联网络（图 1d）。
如图2，经单轴准静态压缩测试表征，SiC@CNTs/CN气凝胶可承受95.13%超大压缩应变、峰值应力46.16 kPa且可完全回弹，可逆应变优于多数陶瓷气凝胶，60%应变10次短循环与千次长循环均展现高应力保有率、高形状恢复率、微弱模量衰减及后期稳定的应力松弛行为，其优异超弹性与抗疲劳性来自材料层级多孔微卷结构可逆形变耗散应力、CN/CNT柔性骨架复合硬质SiC纳米颗粒缓解应力集中的协同作用。
图 2 SiC@CNTs/CN气凝胶的力学性质
SiC@CNTs/CN气凝胶具有优秀的热机械稳定性，该材料在-100~350℃区间模量稳定、粘弹性性能对标顶级碳基气凝胶，同时具备优异高温隔热能力，10 mm厚试样在1300℃火焰下可实现超千度温差，能有效阻隔高温、保护基材与生物样本。 通过可扩展的冷冻干燥技术制备一种超轻质的 SiC@CNTs/CN 气凝胶。该气凝胶具有复杂的微卷结构以及分层多孔网络结构。这种结构使得材料能够在温度变化时保持超弹性性能，具备长期的抗疲劳能力，并且在极端热条件和低温环境下仍能提供良好的电磁屏蔽效果（平均 SE 超过 56 dB）。从力学角度来看，这种独特性能源于一种由结构控制的变形与耗散机制——微卷结构的重新配置、多尺度孔隙结构以及异质界面共同实现了有效的应力重新分布、热应变适应以及电磁能量吸收。因此，这种气凝胶能够在单一超轻结构平台上同时具备机械韧性、超低热导率以及高效的电磁屏蔽性能。这项研究工作提出了一种可推广的设计策略，通过将结构拓扑与多尺度界面设计相结合，从而创造出能够在极端热、机械和电磁环境下工作的多功能陶瓷气凝胶材料。这一方法为在极端条件下工作的材料提供了一种新的设计思路。
