先进的保温材料是发展航空航天、新能源汽车等军民前沿领域的关键。超高温陶瓷(UHTCs)金属碳化物、氮化物和硼化物等以其优良的性能（熔点高(2700℃以上)、机械强度高），在高温领域有着重要的应用。然而，高密度和高导热性能进一步限制了它们的发展发展为高效绝热材料。因此许多学者致力于开发低密度，高耐热性好，导热系数低的材料。多孔陶瓷以其密度低、导热系数低、孔隙率高、比强度高等特点，在保温材料中占有重要地位。近年来，ZrB2、ZrC、ZrB2- SiC、ZrC- SiC等多孔陶瓷材料得到了发展，具有孔隙率高(微米级)、抗压强度高、热稳定性好等特点。虽然多孔陶瓷被认为是优良的隔热材料，但其导热系数仍然有点高。例如，据报道，85%孔隙率的ZrC多孔陶瓷的导热系数为0.94 W/(m•K)。相比在多孔陶瓷中，气凝胶具有纳米级的孔径分布，其平均自由程(~ 50 nm)小于空气的平均自由程(~ 69 nm)，因此空气分子很难通过气凝胶。气凝胶的多孔性降低了固体和气体的导热系数分别，因而具有比多孔陶瓷更低的导热系数。Al2O3-SiO2气凝胶导热系数在0.027 ~ 0.049 W/(m·K)之间，热导率低于多孔陶瓷。然而，弱的力学性能和气凝胶的耐温性不足严重阻碍了其实际应用。这是因为气凝胶具有类似于珍珠链的三维结构网络，其纳米颗粒由狭窄的粒间颈连接。这种低效的连接导致了纳米颗粒基陶瓷气凝胶的脆性。此外，由于小纳米颗粒具有较高的表面能，在高温下，严重的颗粒团聚和孔隙坍塌会导致气凝胶的灾难性破坏，包括结构开裂、强度损失、体积收缩，从而完全丧失保温性能。例如，Al2O3气凝胶具有耐高温和低导热性，但在1000℃以上的高温下容易发生晶转变和晶粒生长，导致纳米孔结构破坏而失效。发现二元Al2O3-SiO2气凝胶可以抑制Al2O3在高温下的相变Al2O3气凝胶的耐热性可提高到1200℃，而无机气凝胶的耐热性很难突破1200℃，因此，提高气凝胶的力学性能和耐温性是确保其作为隔热材料实际应用的关键。 02 成果掠影 近期，南京工业大学崔升教授团队制备了一种新型的莫来石气凝胶，并详细研究了样品的高温演变过程。该团队采用溶胶-凝胶法结合CO2超临界干燥技术制备了RF/Al2O3-SiO2有机/无机前驱体气凝胶。在氩气气氛中，经1400℃高温热处理5 h，在Al2O3和SiO2中进行莫来石化，得到莫来石气凝胶。所得莫来石气凝胶呈现出“珍珠项链”型三维多孔网络，BET比表面积高达481 m2/g。莫来石气凝胶的抗压强度高达15.5 MPa，远高于已有报道的陶瓷气凝胶。所得莫来石气凝胶具有优良的保温性能，经1300℃丁烷喷枪考核10 min，质量损失仅为2.5%，表明其在空气条件下具有优良的抗氧化性能。研究成果以“Rational design of a novel mullite aerogel with extremely high mechanical strength and anti-oxidation behavior for advanced thermal protection in extreme environments”为题发表于《Journal of the European Ceramic Society》。
