固体所在气凝胶材料耐高温、机械强度与隔热性能协同调制方面取得系列进展

近期，中国科学院合肥物质院固体所王振洋、张淑东研究团队在气凝胶耐高温、机械强度及隔热性能协同调制方面取得系列进展，相关研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials&Interfaces和Chemical Engineering Journal上。      无机SiO2气凝胶是由氧化硅纳米颗粒自组装而成的多孔固体材料，其丰富的颗粒孔隙中充满了空气，进而赋予其体积密低度、孔隙率高以及导热系数低等特点，被认为是热导率最低的固体材料，已成为空天热管理、芯片热控、可控核聚变等高端热控领域最关键的隔热材料之一。然而无机SiO2气凝胶的结构脆性、较低耐温（≤700 ℃）等问题，限制了它在极端环境下的服役应用。

一维SiO2气凝胶虽然可以有效解决结构脆性和弹性模量问题，但其强度和耐温特性仍然有很大提升空间。鉴于此，固体所王振洋、张淑东研究员联合重庆交通大学张继祥教授，通过引入低含量ZrO2结晶相，提高一维SiO2纤维耐温特性；在耐温、低热导的一维SiO2纤维单元间通过构建多种类熔合节点，进一步增加纤维间的链接，显著提升了一维SiO2基气凝胶的压缩强度和断裂韧性。获得的一维SiO2气凝胶导热系数低至0.092 Wm-1K-1（与空气一个数量级），最大可承受弹性应变超过80%，抗压强度高达3.89×105 Pa（80% 抗压应变），同时在 -196~1300 ℃的超宽温度范围内表现出稳定的弹性和结构完整性。相关研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, 2024, 12, 16079-16086)上，并申请了国家发明专利（已授权）。

二维无机气凝胶是由二维少层纳米片结构通过有序组装形成的多孔固体材料，已成为气凝胶领域的新热点。研究团队以高丰度、低价的二维层状结构蒙脱石纳米片为结构单元，微量羟基磷灰石纳米线作为支撑，利用定向冷冻手段成功构建出规则单向多孔三维网络结构的二维类气凝胶，其具有优异的隔热性能和阻燃性能。在标准压缩试验中，气凝胶的压缩模量高达80MPa，相关研究成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Inter., 2024, DOI: 10.1021/acsami.4c08796)上，并申请了国家发明专利。

此外，研究团队对环保型建筑保温材料生物质气凝胶进行了新的探索。通过发展具有离子键、氢键和物理交联等多种交联模式，协同改善生物质气凝胶的阻燃和机械性能，开发出阻燃性能优异、烟雾自熄性的生物质海藻酸钠气凝胶，可承受超过其自身2600倍的重量。相关研究成果发表在Chemical Engineering Journal (Chem. Eng. J., 2024, 489, 151223)上，并申请了国家发明专利。

上述研究不仅突破了气凝胶耐温与高强度不兼容的局限，而且为极端条件下高效隔热、防火和机械坚固方面协同优化开发与应用提供了新材料。

相关工作得到了国家重点研发计划、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队项目、国家自然科学基金、安徽省科技重大专项、安徽省重点研发计划等项目的支持。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d4ta02257b

https://pubs.acs.org/articlesonrequest/AOR-KUX3HA69N7QGNZ9YMTTG

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724027104

图1. 一维SiO2基气凝胶及耐温与机械性能。

图2. 二维类气凝胶及多种性能。

图3. 生物质气凝胶及强度与隔热性能比较。