国防科大&西安交大《CEJ》：新型超轻质耐高温超隔热气凝胶！

新型高速航天飞行器热防护系统对兼具低密度、高强度、耐高温和低热导的高性能气凝胶隔热材料提出了迫切需求。然而，传统颗粒状气凝胶通常需要用高密度纤维进行力学增强，并且在1200°C以上易发生烧结，新兴的超轻纳米纤维气凝胶常温热导率很低，但由于大量微米级通孔的存在，难以有效抑制高温辐射传热。此外，为了避免吸湿导致的隔热性能衰减，气凝胶通常需要经过复杂的后处理以获得疏水性。因此，开发区别于纳米颗粒和纳米纤维的新型气凝胶迫在眉睫。

近日，国防科技大学冯坚团队和西安交通大学唐桂华团队基于碳层封装策略，联合开发出一种新型多功能Al2O3-C“核-壳”纳米棒气凝胶。该材料兼具超轻质（0.086 g·cm-3）、高强度（比抗压强度为69.83 kN·m·kg-1）、超低热导（1200℃下热导率为0.065 W·m-1·K-1）、超高耐温（氩气中高达1500℃，脱碳后在空气中高达1400℃）以及本征超疏水（1000次摩擦循环后疏水角仍为156°）等优异性能，其中热导率较国内外同类隔热材料最低值优20%，密度降低75%。相关成果以题“Carbon Layer Encapsulation Strategy for Designing Multifunctional Core-Shell Nanorod Aerogels as High-Temperature Thermal Superinsulators”发表在著名期刊《Chemical Engineering Journal》上。国防科大博士研究生柳凤琦和西安交大博士研究生贺晨波为共同第一作者，国防科大姜勇刚副研究员与冯坚研究员为共同通讯作者。

图1.（a）RANAs, CANAs和DANAs的制备工艺流程图及微观结构图片；（b）Al2O3纳米棒和RF涂层之间的强界面相互作用；（c）RANAs、（d）CANAs和（e）DANAs的SEM图像；（f）CANAs的HRTEM图像；CANAs的（j）HAADF TEM图像和（h-i）EDS图谱

图2.（a-b）低密度CANAs的宏观照片及（c）承重实验照片；（d）CANAs的力学有限元模拟结果；（e-f）不同碳含量CANAs的力学性能及与（j）已报道氧化铝气凝胶的力学性能对比

图3.（a）不同碳含量的CANAs经1400°C碳化后的SEM图像和（b）θ相含量；（c）在氩气中不同碳化温度CANAs的XRD图谱；（d）1400-DANA和PANA在空气中不同加热温度下的XRD图谱、（e）θ相含量和（f）SSA值

图5. CANAs的高温超隔热性能：（a）不同碳含量CANAs的室温热导率和密度；（b）不同碳含量（0%、5%、10%和15%）CANAs的高温热导率；（c）CANAs隔热机理示意图；（d）CANA10、石墨、碳纤维毡和莫来石纤维毡在300℃热台上加热30min的光学和红外图像；（e）CANA10可保护手臂（加热3分钟）和花朵（加热5分钟）在1300°C火焰下免受损坏；（f）石英灯单面加热实验照片以及（g）CANA10和莫来石纤维在1400°C下加热1800 s的冷面温升曲线；（h）CANA10在-60℃下的保温试验；（i）CANA10和已报道氧化铝气凝胶在1000℃下的热导率对比图；（j-i）CANAs比消光系数的理论计算及结构优化.

图6. CANAs的本征超疏水性：（a）荷叶的宏观照片和微观SEM图像；（b）CANAs对不同液体的疏水性照片；（c）CANAs的类荷叶结构及疏水机理示意图； CANAs的（d）水接触角（WCA）和（e）滚动角（RA）；水珠在CANAs表面上的（f）动态反弹过程和（g）按压过程；（h）磨擦试验过程示意图（1000次循环）；（i）1000次磨损循环前后CANAs的AFM图片；（j）疏水角随磨损循环次数的变化曲线；（k）1000次磨损循环后CANAs的自清洁过程；（l）涂有CANAs粉末的不同材料表面的疏水行为照片

综上所述，该研究工作提出了一种新型碳层封装策略，通过在具有高长径比的超细Al2O3纳米棒表面原位引入碳层来制备具有“核-壳”结构的二元气凝胶，碳涂层同时发挥了骨架增强、红外遮光、相变抑制和疏水功能，赋予材料超轻质、高强度、耐温超隔热以及本征超疏水性等优异特性，为制备新型高速航天飞行器热防护系统用高性能隔热材料提供了新思路。

封面来源于图虫创意