來源：Science

鏈接：https://doi.org/ 10.1126/science.adw5777

01 背景介紹

氣凝膠作為一類具有高孔隙率和低密度特性的重要材料，在太空探索、傳感、熱管理及化學催化等領域應用廣泛。通過傳統溶膠 - 凝膠法，已逐步合成出涵蓋金屬、氧化物、硫族化合物、碳化物、碳、有機物及多元化合物等多種類型的氣凝膠。

然而，傳統溶膠 - 凝膠法制備的氣凝膠存在固有缺陷：其零維顆粒連接較弱，導致機械脆性大、彈性差。盡管科研人員通過結構幾何設計，在高孔隙率下實現了優異的機械彈性，但氣凝膠在極端熱機械條件下仍面臨挑戰 —— 高溫下晶體結構不穩定，且在大機械變形下結構脆弱。

具體而言，柔性非晶域是陶瓷氣凝膠在常態下保持彈性的關鍵，但相比塊狀結晶陶瓷，其存在會顯著降低熱穩定性。此前提升彈性陶瓷氣凝膠熱穩定性的努力，主要集中于限制非晶域遷移，最高工作溫度僅達 1973 K。而石墨烯材料雖熔點超過 3000 K，但其機械軟化溫度低于 2273 K，無法在該極端條件下維持穩定的熱機械性能。這些現有氣凝膠的局限性，凸顯了開發能在更極端熱機械條件下保持穩定性能的新型氣凝膠的必要性。

02 成果掠影

近日，浙江大學高分子科學與工程系高超教授、劉英軍研究員與許震研究員開發出一種創新的二維通道限域化學策略，構建了194種“圓頂細胞”結構的超輕氣凝膠。該團隊報道了通過二維通道限制化學方法合成的 194 種穹頂蜂窩結構氣凝膠，這類氣凝膠具有超輕特性，密度范圍為 0.35-13.78mg?cm?3，且在 4.2K 至 2273K 的超寬溫度范圍內保持優異的超彈性，能承受 99% 應變下 20,000 次循環以及 2273K 下 100 次熱沖擊循環。其中高熵碳化物氣凝膠在 1273K 時導熱系數為 53.4mW?m?1?K?1，2273K 時為 171.1mW?m?1?K?1，在極端熱機械領域有巨大應用潛力。研究成果以“Dome-celled aerogels with ultrahigh-temperature superelasticity over 2273 K”為題發表在《Science》期刊。

第一作者為龐凱副研究員，夏雨星，Xiaoting Liu和西安交通大學Wenhao Tong為共同一作。

部分作者合影。

03 圖文導讀

核心方法：采用二維通道限制化學法，以宏觀組裝的氧化石墨烯（GO）薄膜為前驅體，通過離子捕獲、鼓泡、熱轉化三步連續過程制備；

具體過程：

• 離子捕獲：GO 層間通道形成二維受限納米空間，浸入鹽溶液后，離子通過與氧官能團的螯合作用被捕獲，且二維屏障效應避免離子泄漏，形成受限前驅體雜化物；
• 鼓泡：發泡劑分解產生的氣體在 GO 層間形成穹頂形細胞，通過控制鼓泡時間可調節穹頂細胞的平均曲率；
• 熱轉化：在不同條件下熱處理雜化氣凝膠，600℃空氣氛圍下 4 小時得到氧化物氣凝膠，2000℃氬氣氛圍下 2 小時得到碳化物氣凝膠，450℃氫氣氛圍下 1 小時得到金屬氣凝膠；

優勢：可直接在空氣中干燥，避免了復雜昂貴的冷凍或超臨界干燥方法，且能制備出大規模板材（約 50×20×0.5cm3）和連續卷材（>2m）等宏觀形態；

圖1.基于石墨烯的 2D 通道限域化學，用于圓頂細胞氣凝膠。

結構特點：以具有兩個非零主曲率的穹頂微結構為基本單元，胞壁由平面互連的納米級晶粒組成，厚度 < 10nm，這種結構使其儲存彈性應變能的能力至少是傳統蜂窩和拱形結構的 10 倍，且在高應變下會產生大量可恢復的褶皺以儲存彈性能量。

圖2. 圓頂細胞氣凝膠的化學多樣性及其多尺度結構。

化學多樣性：涵蓋 121 種氧化物、38 種碳化物和 35 種金屬，成分可調節至含多達 30 種元素的高熵狀態，且在原子尺度上混合均勻。

圖3.圓頂孔氣凝膠的機械性能。

所有氣凝膠在 99% 應變下可重復壓縮 20,000 次，殘余應變 < 3%，應力退化 < 20%，超輕氧化物氣凝膠在 80% 應變下 10,000 次循環后應變退化 < 8%，疲勞 resistance 優異。

在 4.2K 至 2273K 的超寬溫度范圍內保持超彈性，在 2273K 下 99% 應變循環 100 次后仍能恢復原狀，在丁烷噴燈雙側火焰（超 1573K）中 99% 應變循環 100 次也表現出優異的抗燒蝕性和超彈性。

圖4.碳化物氣凝膠的熱超級絕緣。

碳化物氣凝膠在 173-2273K 溫度范圍內具有低導熱系數，高熵（ZrTaNbTiHf）C 氣凝膠在 1273K 時為 53.4mW?m?1?K?1，2273K 時為 171.1mW?m?1?K?1。

經過 10,000 次室溫機械疲勞測試和 100 次 2273K 循環后，導熱系數仍保持在超低水平，在 2273K 下 100 次熱沖擊循環后，形態和導熱系數幾乎不變，1573K 時熱膨脹系數極低（~1.8×10??K?1）。

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