阻燃、耐高溫熱管理材料在航空航天、建筑和日常生活中具有廣泛的應用。氣凝膠作為一類超低密度和超低熱導率的多孔材料，在耐高溫熱管理材料的減重、瘦體等方面獨具優勢。然而高分子基氣凝膠材料長期服役耐溫極限一般在500℃以下，而無機氧化物等新型氣凝膠，其高溫下的結構穩定性、力學性能、以及密度與熱導率等綜合性能還待提升。此外，傳統氣凝膠由于極高的孔隙率導致其脆性大、難以二次加工等，因此如何實現對結構復雜的異型件進行極端高溫熱防護，也是有待突破的瓶頸。 

　　近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所王錦等人設計了一種簡便易行的策略來制備能夠耐受1300℃高溫的柔性可賦型陶瓷氣凝膠。如圖1所示，通過采用商品化的氧化硅氣凝膠顆粒以及莫來石陶瓷纖維作為結構組份，用水溶性高分子將二者在水溶液中實現結構重排（前驅體溶液），形成類似鳥巢結構的交叉互扣的增強結構，最后定型干燥后采用明火將水性高分子祛除（鳳凰涅槃法，圖2），從而得到具有仿生鳥巢結構的柔性、輕質和可賦型的氧化硅-氧化鋁復合陶瓷氣凝膠（Fire-reborn silica-alumina hybrid ceramic aerogel, FR-SACA）。柔性氧化硅-氧化鋁陶瓷雜化氣凝膠（silica-alumina hybrid ceramic aerogel, SACA）密度極低，僅為0.01 g/cm³。在燒盡高分子基底后，生成了火重生的FR-SACA其密度最低為 0.007 g/cm³。此外，可將其前驅體溶液澆注到預先設計好的模具中，或直接進行刮涂可實現大規模生產。 

　　圖1. 復合陶瓷氣凝膠的制備路線圖、光學照片、大面積制備、以及潛在應用示意圖 

　　圖2. 普通復合薄膜的燃燒過程、鳳凰涅槃燃燒過程及其機理示意圖 

　　FR-SACAs的結構完全由陶瓷纖維搭接而成，雖然整個制備過程沒有引入化學反應，但類似鳥巢的結構不僅賦予了其一定的強度，而且還具有良好的壓縮回彈性，能夠在80%的壓縮應變下完全回彈。涅槃后的復合氣凝膠在900℃范圍內幾乎沒有任何質量損失，熱導率也維持在0.04 Wm^-1K^-1以下（圖3）。 

　　圖3. SACA和FR-SACA的物理性能表征 

　　為了驗證FR-SACAs的高溫隔熱性能，對不同厚度的樣品進行了酒精燈火焰和丁烷火焰隔熱性能研究。采用紅外攝像機連續監測了火焰暴露下FR-SACAs的動態溫度分布，并在FR-SACAs的正反面安裝熱電偶，以測量實際溫度并繪制溫度變化曲線。實驗結果表明，當暴露在高溫火焰（1300 ℃）中時，20 毫米厚的 FR-SACA 可保持穩定的隔熱性能，溫度降低 1179.6 ℃，比丁烷火焰溫度降低 80% 以上（圖4）。 

　　圖4. FR-SACAs 的高溫隔熱性能 

　　此外，本工作制備的前驅體溶液能夠直接作為耐高溫阻燃隔熱涂料使用。如圖5所示，前驅體可以直接涂覆在字母（異性結構件）上，黏附強度達160 kPa。為了研究FR-SACA隔熱阻燃涂料在更大范圍內的效果，研究者制備了使用該涂料的紙房子，并在真實大火中進行燃燒。結果表明，涂有氣凝膠陶瓷涂料的紙屋和未受保護的紙屋同時暴露在大火中，大火持續燃燒16 秒后，未受保護的紙屋被火焰燒毀，而涂有FR-SACA涂料的紙屋則未受影響；在約105秒的整個燃燒過程中，未受保護的紙屋被燒毀并化為灰，而涂有氣凝膠陶瓷涂料的紙屋仍然完好無損。 

　　圖5. FR-SACA 隔熱防火涂料在實際應用中的燃燒實驗和隔熱機理 

　　本研究通過極為簡單的純物理過程構筑了具有輕質、柔性、耐極端高溫、可賦性的陶瓷氣凝膠及其涂料，制備方法有望連續化批量制備，可廣泛應用于極端環境下的熱管理應用。相關工作以Flexible and Transformable Ceramic Aerogels via a Fire-Reborn Strategy for Thermal Superinsulation in Extreme Conditions為題發表在Advanced Functional Materials上。論文第一作者為中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所輕量化實驗室碩士生程瀅穎，通訊作者為中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所胡東梅項目研究員和王錦項目研究員。本工作得到蘇州市科技局基礎研究試點項目和中國科學院青促會支持。 

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