近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所王振洋、張淑東研究團隊在氣凝膠耐高溫、機械強度及隔熱性能協(xié)同調(diào)制方面取得系列進展，相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials&Interfaces和Chemical Engineering Journal上。
 

　　無機SiO2氣凝膠是由氧化硅納米顆粒自組裝而成的多孔固體材料，其豐富的顆粒孔隙中充滿了空氣，進而賦予其體積密低度、孔隙率高以及導(dǎo)熱系數(shù)低等特點，被認(rèn)為是熱導(dǎo)率最低的固體材料，已成為空天熱管理、芯片熱控、可控核聚變等高端熱控領(lǐng)域最關(guān)鍵的隔熱材料之一。然而無機SiO2氣凝膠的結(jié)構(gòu)脆性、較低耐溫(≤700 oC)等問題，限制了它在極端環(huán)境下的服役應(yīng)用。
 

　　一維SiO2氣凝膠雖然可以有效解決結(jié)構(gòu)脆性和彈性模量問題，但其強度和耐溫特性仍然有很大提升空間。鑒于此，固體所王振洋、張淑東研究員聯(lián)合重慶交通大學(xué)張繼祥教授，通過引入低含量ZrO2結(jié)晶相，提高一維SiO2纖維耐溫特性；在耐溫、低熱導(dǎo)的一維SiO2纖維單元間通過構(gòu)建多種類熔合節(jié)點，進一步增加纖維間的鏈接，顯著提升了一維SiO2基氣凝膠的壓縮強度和斷裂韌性。獲得的一維SiO2氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)低至0.092 Wm-1K-1(與空氣一個數(shù)量級)，最大可承受彈性應(yīng)變超過80%，抗壓強度高達3.89×105 Pa(80% 抗壓應(yīng)變)，同時在 -196~1300 ℃的超寬溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的彈性和結(jié)構(gòu)完整性。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A 上，并申請了國家發(fā)明專利(已授權(quán))。
 

　　二維無機氣凝膠是由二維少層納米片結(jié)構(gòu)通過有序組裝形成的多孔固體材料，已成為氣凝膠領(lǐng)域的新熱點。研究團隊以高豐度、低價的二維層狀結(jié)構(gòu)蒙脫石納米片為結(jié)構(gòu)單元，微量羥基磷灰石納米線作為支撐，利用定向冷凍手段成功構(gòu)建出規(guī)則單向多孔三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的二維類氣凝膠，其具有優(yōu)異的隔熱性能和阻燃性能。在標(biāo)準(zhǔn)壓縮試驗中，氣凝膠的壓縮模量高達80MPa，相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上，并申請了國家發(fā)明專利。
 

　　此外，研究團隊對環(huán)保型建筑保溫材料生物質(zhì)氣凝膠進行了新的探索。通過發(fā)展具有離子鍵、氫鍵和物理交聯(lián)等多種交聯(lián)模式，協(xié)同改善生物質(zhì)氣凝膠的阻燃和機械性能，開發(fā)出阻燃性能優(yōu)異、煙霧自熄性的生物質(zhì)海藻酸鈉氣凝膠，可承受超過其自身2600倍的重量。相關(guān)研究成果發(fā)表在Chemical Engineering Journal 上，并申請了國家發(fā)明專利。
 

　　上述研究不僅突破了氣凝膠耐溫與高強度不兼容的局限，而且為極端條件下高效隔熱、防火和機械堅固方面協(xié)同優(yōu)化開發(fā)與應(yīng)用提供了新材料。
 

　　相關(guān)工作得到了國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊項目、國家自然科學(xué)基金、安徽省科技重大專項、安徽省重點研發(fā)計劃等項目的支持。
 

圖1. 一維SiO2基氣凝膠及耐溫與機械性能。
 

圖2. 二維類氣凝膠及多種性能。
 

圖3. 生物質(zhì)氣凝膠及強度與隔熱性能比較。