氣凝膠因其高孔隙率與超低密度，已成為一類具有重要應用潛力的多功能材料，廣泛用于航天探索、傳感器、熱管理及化學催化等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)溶膠-凝膠法制備的氣凝膠通常基于零維顆粒之間的弱連接，導致其整體結(jié)構(gòu)高度不穩(wěn)定，表現(xiàn)出顯著的脆性與較差的彈性回復能力。為彌補上述結(jié)構(gòu)性缺陷，研究者提出了多種幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計策略，在保持高孔隙率的同時顯著提升氣凝膠的彈性性能，常見方式包括引入一維纖維或納米管網(wǎng)絡(luò)，以及采用二維納米片組裝構(gòu)建蜂窩與拱形胞元結(jié)構(gòu)。盡管如此，現(xiàn)有氣凝膠在極端環(huán)境下仍面臨力/熱學穩(wěn)定性差的挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)為高溫條件下的晶體結(jié)構(gòu)熱不穩(wěn)定性，以及大應變加載下的結(jié)構(gòu)塌縮與不可逆形變。此外，柔性非晶區(qū)域被認為是支撐陶瓷氣凝膠彈性行為的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元，但其存在同時也顯著限制了材料的高溫熱穩(wěn)定性。目前提升其熱穩(wěn)定性的常用方法主要集中于限制非晶結(jié)構(gòu)的擴散演化，但其熱軟化溫度普遍受限于2273 K以下，難以滿足極端環(huán)境的應用需求。因此，如何實現(xiàn)高溫下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且具備優(yōu)異彈性的氣凝膠材料，已成為當前亟待突破的關(guān)鍵科學問題。

近日，西安交通大學航天航空學院劉益?zhèn)惤淌趫F隊與浙江大學高分子科學與工程系高超教授團隊合作，提出了一種耐高溫超彈性氣凝膠設(shè)計方法，建立了多種微結(jié)構(gòu)的多尺度力學模型，揭示其在大變形過程中受褶皺演化調(diào)控的結(jié)構(gòu)超彈性機制。進一步指導實驗通過二維通道受限發(fā)泡策略成功制備了在4.2K至2273K寬溫域與100次反復熱沖擊條件下保持99%彈性應變的優(yōu)異性能的穹頂結(jié)構(gòu)氣凝膠。相關(guān)研究成果以“Dome-celled aerogels with ultrahigh-temperature superelasticity over 2273 K”為題發(fā)表在國際知名期刊《Science》上。

氧化石墨烯具有原子級各向異性及豐富的化學官能團，然而層間相互作用較弱，易發(fā)生層間滑移等失效行為，導致高溫下出現(xiàn)顯著軟化現(xiàn)象。同時，傳統(tǒng)陶瓷在高溫下晶粒易長大，形成粗大晶體結(jié)構(gòu)，進一步加劇其脆性。針對上述問題，我們提出了一種基于二維通道限域發(fā)泡的超彈性氣凝膠可控構(gòu)筑方法：以氧化石墨烯薄膜為前驅(qū)體，引導金屬離子在石墨烯構(gòu)建的二維限域通道中實現(xiàn)原子級均勻分散，并通過調(diào)控熱處理過程形成由納米晶組成的多晶氧化物層狀結(jié)構(gòu)。該方法能夠有效抑制粗大晶粒團聚體的形成，顯著增強氣凝膠胞壁的熱穩(wěn)定性與彈性（圖1）。進一步通過多尺度建模，構(gòu)建了蜂窩、拱形與穹頂結(jié)構(gòu)單胞及多胞模型，并基于考慮微結(jié)構(gòu)特征的有限元分析方法系統(tǒng)評估其壓縮-回彈過程中的受力變形與彈性應變能儲存特性。結(jié)果表明穹頂微結(jié)構(gòu)的非可展曲面幾何特性在壓縮加載下自發(fā)產(chǎn)生高密度且均勻分布的褶皺網(wǎng)絡(luò)（圖2），可有效降低回彈階段胞壁間的粘附阻力，并通過增強胞壁彎曲變形能力顯著提升整體彈性應變能。此外，通過對應變能密度場分布分析，我們發(fā)現(xiàn)穹頂結(jié)構(gòu)可避免局部應變集中引發(fā)的失效與能量損耗，在極端力-熱耦合環(huán)境下展現(xiàn)出卓越的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其彈性應變能存儲能力較蜂窩與拱形結(jié)構(gòu)提升一個數(shù)量級。

圖1.基于石墨烯二維通道限域方法的穹頂微結(jié)構(gòu)氣凝膠構(gòu)筑。

圖2.有限元結(jié)構(gòu)模型分析。

進一步的實驗結(jié)果表明，采用上述二維通道受限策略制備的碳化物氣凝膠材料在寬溫域內(nèi)展現(xiàn)出突出的彈性特征。在室溫條件下，該類氣凝膠可在99%應變下完成2萬次循環(huán)壓縮，仍保持幾乎不變的高度（塑性變形＜3%）和極低的強度衰減（＜20%）。特別地，所制備的碳化物穹頂微結(jié)構(gòu)氣凝膠在4.2?K深冷至2273?K超高溫環(huán)境中依然保持99%彈性應變的能力（圖3）。此外，得益于納觀層狀結(jié)構(gòu)與穹頂微結(jié)構(gòu)在高溫下的卓越穩(wěn)定性，碳化物氣凝膠在極端力/熱環(huán)境中展現(xiàn)出優(yōu)異的熱絕緣性能。即使在室溫下經(jīng)歷10,000次疲勞加載循環(huán)并且在2273?K高溫下反復循環(huán)100次后，其熱導率仍維持在超低水平，體現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與抗形變能力。同時，在2273?K條件下經(jīng)受100次熱沖擊后，樣品形貌無明顯變化，熱導率幾乎無衰減，為極端溫度條件下的高可靠性熱防護提供了全新材料方案（圖4）。

圖3.穹頂胞元氣凝膠的力學性能分析。

圖4.碳化物氣凝膠的熱絕緣性能表征。

(來源：西安交通大學 版權(quán)屬原作者 謹致謝意）