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米测MeLab

2025-07-21

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

气凝胶已经发展成为一个重要的材料家族，其主要特征是高孔隙率和低密度，这些特性使其在空间探索、传感、热管理和化学催化等领域具有广泛的应用前景。目前，通过常规的溶胶-凝胶法，已经逐步合成了多种气凝胶，包括金属、氧化物、硫属化物、碳化物、碳、有机物等。

关键问题

然而，气凝胶的应用主要存在以下问题：

1、传统方法合成的气凝胶的机械性能不足

大多数溶胶 - 凝胶法合成的气凝胶由于其固有的弱零维颗粒连接，表现出机械脆性和较差的弹性。在极端热机械条件下，气凝胶的结构稳定性受到限制，尤其是在高温和大机械变形下，其结构容易变得脆弱。

2、气凝胶的热稳定性差

气凝胶的热稳定性受到其柔性非晶畴的影响，与块状结晶陶瓷相比，其热稳定性显著降低。尽管石墨烯材料虽然熔点超过3000 K，但其机械软化温度被限制在低于2273 K，这限制了其在极端高温条件下的热机械稳定性。

新思路

有鉴于此，浙江大学高超教授、刘英军研究员与许震研究员等人报道了194种通过二维通道限域化学方法实现的保持从4.2 K到2273 K优异弹性的圆顶形超轻气凝胶。这种气凝胶在99 %应变下表现出20000次循环的超弹性，在2273 K下表现出100次循环的抗热震性。高熵碳化物气凝胶在1273 K和2273 K时的热导率分别为53.4 mW·m^-1·K^-1和171.1 mW·m^-1·K^-1。温度不变的弹性和化学多样性的结合使得这种气凝胶在极端热机械方面具有很大的应用前景，从隔热工业到深空探测。

技术方案：

1、合成了超轻圆顶状气凝胶

本文通过二维通道限域化学方法，成功合成涵盖多种元素的超轻圆顶状气凝胶。圆顶结构赋予其优异的机械性能。

2、展示了圆顶状气凝胶的广泛化学多样性

作者合成194种圆顶状气凝胶，涵盖氧化物、金属和碳化物成分，涉及30多种元素。高熵气凝胶中多达30种元素在原子尺度上均匀混合，表现出优异的结构和组成均匀性。

3、证实了极端热力学条件下的气凝胶性能

作者证实了所有气凝胶表现出非凡弹性，金属气凝胶在99%应变下可完全恢复并循环20000次，氧化物气凝胶在80%应变下稳定循环10000次，碳化物气凝胶在4.2~2273 K超宽温度范围内保持超弹性。

4、证实了气凝胶在超高温下的热超绝缘性

作者证实了气凝胶表现出优异的超绝热性能，热导率低且稳定。高熵气凝胶在高温下表现出卓越的隔热性能和机械稳定性，可应用于极端环境。

技术优势：

1、通过二维通道限域化学方法实现了宽温度范围内具有优异弹性的气凝胶

本研究开发的气凝胶在极宽的温度范围（4.2 K至2273 K）内保持了优异的弹性，即使在99%的应变下也能承受超过20000次循环的超弹性，并在2273 K下表现出100次循环的抗热震性。这种在极端温度条件下的高弹性表现，突破了传统气凝胶的性能限制，使其在隔热工业和深空探测等领域具有巨大的应用潜力。

2、气凝胶在极端热机械条件下表现出卓越的隔热性能

高熵碳化物气凝胶在1273 K和2273 K时的热导率分别为53.4 mW·m⁻¹·K⁻¹和171.1 mW·m⁻¹·K⁻¹，显示出超低的热导率。这种低热导率特性结合其优异的弹性，使得气凝胶在极端热机械条件下表现出卓越的隔热性能，进一步拓展了其在高温隔热和极端环境中的应用前景。

技术细节

气凝胶制造

本文介绍了一种基于二维通道限域化学的通用方法，用于合成超轻圆顶状气凝胶。这些气凝胶包含121种氧化物、38种碳化物和35种金属，可实现多达30种元素的高熵态。研究提出圆顶状微结构作为设计单元，其出色的机械稳定性和弹性应变能存储能力优于传统结构。实验从氧化石墨烯（GO）膜出发，通过离子捕获、鼓泡和热转换制备气凝胶。通过控制鼓泡时间调节圆顶单元的平均曲率。气凝胶通过直接干燥制备，避免复杂干燥方法，并通过热处理实现从氧化物到碳化物和金属气凝胶的转变。最终制备出多种气凝胶砖、大尺寸板和连续辊，其圆顶结构经三维光学轮廓仪和纳米CT验证，确保结构稳定性和完整性。

图  基于石墨烯的圆顶气凝胶的二维通道受限化学

广泛的化学多样性

作者合成了一系列具有广泛化学多样性的圆顶状气凝胶，共194种类型，涵盖氧化物、金属和碳化物成分，涉及30多种元素。这些气凝胶形成了一个全面的材料库，包括一元、二元、三元和高熵组分。其密度极低，范围为0.35至13.78 mg·cm⁻³，大多数属于超轻（ρ < 1.29 mg·cm⁻³）和超轻（ρ < 10 mg·cm⁻³）范围。所有气凝胶均具有圆顶状结构，包含二维弯曲壁和微米尺寸孔（70~140 μm），壁厚小于10 nm，由平面互连的纳米晶粒组成，这种结构有助于实现超低密度。通过高角度环形暗场（HAADF）成像和原子映射确认，多达30种元素在高熵气凝胶中实现了原子尺度上的完全混合，表现出优异的结构和组成均匀性。

图  圆顶气凝胶的化学多样性及其多尺度结构

极端热力学

研究发现，所有气凝胶无论化学种类、元素组成和密度如何，均表现出非凡的弹性。金属气凝胶在99%应变下可完全恢复，可重复压缩20000次，残余应变小于3%，应力降解小于20%。氧化物气凝胶在80%应变下可稳定循环10000次，应变降解小于8%。圆顶结构在高应变下产生褶皱，避免光滑接触，有利于弹性恢复，而蜂窝气凝胶则因光滑接触导致弹性有限。碳化物气凝胶在低于88 wt%碳化物含量时，表现出优异的机械恢复性，且在90%应变下垂直方向性能优于水平方向。在极端热机械条件下，碳化物气凝胶在4.2~2273 K的超宽温度范围内表现出超弹性，即使在2273 K下也能保持优异的弹性。

图  圆顶型气凝胶的力学性能

超高温下的热超绝缘性

气凝胶的化学多样性赋予其广泛功能，特别是碳化物气凝胶在极端条件下表现出优异的超绝热性能。在约70%碳化物含量时，其热导率（λ）在垂直方向上最低，归因于二维各向异性拓扑结构。从173 K到2273 K，稀释的固体传输、纳米孔抑制气体传输以及二维各向异性效应共同作用，使热导率保持超低水平。高熵碳化物气凝胶（如ZrTaNbTiHfC）在1273 K和2273 K时的热导率分别为53.4 mW·m⁻¹·K⁻¹和171.1 mW·m⁻¹·K⁻¹，低于一元、二元和三元碳化物气凝胶。此外，碳化物气凝胶在室温下经10000次循环和在2273 K下经100次循环后，热导率仍稳定，显示出优异的结构稳定性和抗变形能力。其热膨胀系数低（1.8×10⁻⁶ K⁻¹），在100次热冲击循环后保持原始形态，热导率几乎不变。8毫米厚的碳化物气凝胶板在1573 K的丁烷喷灯火焰下暴露5分钟，仍能有效保护新鲜玫瑰。

图  .碳化物气凝胶的超绝热

展望

总之，本研究基于石墨烯的二维通道限域化学方法，成功制备了194种超轻超弹性气凝胶，涵盖35种元素及任意组合。即使表观密度低于空气，其球形微结构仍赋予气凝胶超弹性，使其在99%应变下可承受超过20000次疲劳循环。该气凝胶库在4.2~2273 K的宽温度范围内实现了优异的机械弹性和超低热导率，显著拓展了气凝胶在极端热机械条件下的应用范围。其广泛的化学多样性为集成光学、热学、电学和磁学性能提供了高度设计灵活性。

参考文献：

KAI PANG，et al. Dome-celled aerogels with ultrahigh-temperature superelasticity over 2273 K. Science, 2025, 389(6757): 290-294.

DOI: 10.1126/science.adw5777

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