超级隔热陶瓷气凝胶材料在高温下保持了结构稳定的良好力学和耐高温性能。兰州大学供图

兰州大学土木工程与力学学院青年教授张强强与哈尔滨工业大学、美国加州大学洛杉矶分校和伯克利分校的学者合作，研制出一种同时具备超轻、高力学强度和超级隔热三大特点的陶瓷气凝胶。利用其设计的超级隔热系统可应用于航天器等领域。该成果日前在线发表于《科学》。

张强强介绍说，气凝胶结构坚固，可由陶瓷、碳或金属氧化物等许多材料制成。与其他绝缘体相比，陶瓷气凝胶以其低密度、低热导率和良好的耐火、耐腐蚀特性，被认为是理想的隔热材料。自20世纪90年代以来，陶瓷气凝胶一直应用于工业设备隔热，也被用于美国宇航局的火星探测器中。

然而，质脆以及晶化诱导的粉碎行为，使陶瓷气凝胶在显著的温度梯度变化或长期高温暴露中表现出严重的强度退化，甚至破裂的现象。鉴于极端条件下的隔热要求，材料应具备异常优异的稳定性，同时具备强大的机械和热学稳定性。这成为陶瓷气凝胶在隔热领域进一步发展应用的主要障碍。

此次研究人员利用多尺度结构化设计和三维石墨烯气凝胶模板化制备，合成了同时具有强大的机械和热学稳定性的氮化硼以及碳化硅陶瓷气凝胶材料。这类陶瓷材料由纳米层状双窗格壁组成，整体呈现出超低密度的双曲线构造形态。这一特殊结构使材料在维持热稳定性的同时依然表现出优异的可变形性和断裂韧性。同时，在剧烈的热振测试以及长期高温暴露过程中，这类材料表现出优异的热稳定性，机械强度损失不到1%。另一方面，从2D纳米片获得的3D分层结构将气凝胶分成微小的单元，使得它们之间的空气对流减少，从而实现低于空气的超低的热导率。因此，这种材料可承受数百次温度在几秒钟内升高到900℃然后降低到－198℃的剧烈波动。