【一】研究背景

      隔热材料在建筑暖通、电动汽车热管理、设备高温热屏蔽、恶劣环境防护等诸多领域中扮演着关键角色，核心研发目标是阻断热量向特定区域传递。此前研究多聚焦于开发低导热率材料，气凝胶凭借纳米多孔结构实现了低至 0.01 W・m⁻¹・K⁻¹ 的热导率，是性能优异的隔热材料，但纳米多孔结构的制备需采用高成本前驱体和高能耗的超临界干燥法，还需复杂的溶剂交换步骤，导致其难以大规模推广。

     传统隔热材料（如玻璃纤维毡、聚氨酯海绵、聚苯乙烯泡沫）制备工艺简单、成本低廉，得以广泛应用，但其微米级孔结构无法有效限制空气分子运动，热导率处于 0.03~0.1 W・m⁻¹・K⁻¹ 区间，隔热性能欠佳。

      除降低热导率外，降低材料的热扩散率是阻碍热流传递的另一策略，热扩散率与热导率满足公式 α=k/(ρcₚ)，在瞬态热过程中起关键作用。相变材料可通过相变吸热提升热容，降低热扩散率，延缓瞬态热传递，适用于短时强热脉冲的热冲击防护场景。理想的热冲击防护材料需同时具备低导热率和低热扩散率，但传统纳米多孔结构降低热导率的同时会使材料密度下降，无法显著降低热扩散率，因此气凝胶的热扩散率与传统隔热材料并无明显差异。这一技术痛点成为本研究的核心切入点。

【二】研究创新点

1. (1) 结构与性能融合创新：首次将相变材料原位包覆于微米级多孔骨架中，制备出壳聚糖 - 三聚氰胺甲醛 - 聚乙二醇（CMP）相变气凝胶，实现低导热率与低热扩散率的双重特性，解决了传统气凝胶热扩散率偏高、传统相变材料导热率过高的问题。

2. (2) 制备工艺创新：开发出水相原位限域冷冻干燥法，全程无苛刻反应条件、废弃物产生量极少，无需超临界干燥，相比二氧化硅气凝胶的制备工艺，成本大幅降低且易于规模化生产，还可通过模具浇铸制备任意形状的气凝胶制品。

3. (3) 性能特性创新：该相变气凝胶兼具优异的热稳定性（0~90℃循环 50 次以上相变性能无明显衰减，300℃下保持形状稳定、无相变材料泄漏）、机械性能（20% 断裂极限前抗压强度超 1 MPa）和自熄阻燃性，突破了传统相变材料高温易泄漏、形状稳定性差的瓶颈。

4. (4) 应用效果创新：在瞬态热冲击防护中，热导率 0.045 W・m⁻¹・K⁻¹ 的 CMP2 气凝胶，初期热防护效果优于热导率 0.026 W・m⁻¹・K⁻¹ 的商用二氧化硅气凝胶，实现了 “以中等导热率达到低导热率气凝胶的瞬态热防护效果”。

5. 

   图 1 热冲击下隔热材料的工作原理图  a 气凝胶的热响应特性：凭借低导热率实现热冲击隔离，有效阻碍稳态热传递，维持显著的温差。b 相变材料的控温特性：可高效吸热并保持温度稳定，有效缓解热冲击的影响。c 相变气凝胶的设计思路：结合气凝胶与相变材料的双重优势，在多孔结构实现低导热率的同时，保留潜热吸热能力，强化热冲击防护性能。

【三】材料设计与表征

1.        以壳聚糖为模板、三聚氰胺甲醛（MF）树脂为热固性骨架、聚乙二醇（PEG6k）为水溶性相变材料，通过一锅法原位聚合 + 冷冻干燥制备 CMP 系列气凝胶（CMP0~5，按 PEG6k 含量梯度划分，CMP0 无相变材料），并通过模具实现不同形状、尺寸的整体式气凝胶制备。
2. 

   图 2 壳聚糖 - 三聚氰胺甲醛 - 聚乙二醇（CMP）气凝胶的设计与表征 a 一步法合成结合冷冻干燥的工艺示意图。b 相变材料气凝胶的骨架结构示意图。c 水凝胶与气凝胶形态的 CMP 样品。d 液氮中脆断的 CMP 气凝胶扫描电镜图像。e CMP2 气凝胶的透射电镜图像：黄色区域为分子量 6000 的聚乙二醇（PEG6k）(120) 晶面，晶面间距 4.6 埃，插图为选区电子衍射图谱。

【四】热传输特性表征与建模

1.       测试 CMP 系列气凝胶的热导率，发现其热导率随密度升高而增加，CMP0（0.041 W・m⁻¹・K⁻¹）至 CMP5（0.082 W・m⁻¹・K⁻¹）均处于传统隔热材料的热导率区间。
2.       采用脉冲激光加热装置测试瞬态热传播特性：20℃时，热导率相近的 CMP0 和 CMP2 热扩散率无明显差异；50℃时（PEG6k 相变温度区间），CMP2 因相变吸热，有效热扩散率大幅降低，热传播被显著延缓。
3.       推导了考虑相变潜热的有效热扩散率计算公式：αₑff = k/[ρ(cₚ + LH/ΔT)]，其中 ΔT 为相变温度区间，量化了相变潜热对热扩散率的降低作用。
4.        对比各类材料的热导率 - 热扩散率分布，证实 CMP 气凝胶同时具备低导热率和低热扩散率，填补了传统气凝胶（低导热、中热扩散）与纯相变材料（中高导热、低热扩散）之间的性能空白。
5. 

   图 3 增强型热冲击抗性表征 a 激光闪射法测试示意图（圆盘样品，厚度约 2 毫米）。b CMP 气凝胶的热导率与密度关系图（误差棒为 3 个样品的标准偏差）。c 瞬态激光热冲击下的温度响应曲线。d 已报道的常见气凝胶材料与考虑潜热的相变材料的热导率 - 热扩散率范围分布。

6. 【五】热稳定性与机械稳定性

   相变循环稳定性：通过原位 XRD 和 DSC 测试，发现 CMP 气凝胶在 0~90℃经过 50 次加热 - 冷却循环后，相变吸热 / 放热曲线基本重合，晶相 - 非晶相转变完全，无性能衰减。

图 4 CMP 气凝胶的热稳定性a 熔融与凝固过程中的原位 X 射线衍射图谱。b CMP 气凝胶的相变潜热与相变温度关系图。c CMP 气凝胶经 50 次加热 - 冷却循环后的差示扫描量热曲线。d-f 相变材料圆片在 40℃、80℃、300℃加热条件下的红外图像（标尺：2 厘米）。g、h 热循环前后 CMP 气凝胶的孔径分布曲线。i CMP 样品与已有研究成果的高温形状稳定性对比。

1. 瞬态热冲击实验：在 200℃热板的热冲击测试中，CMP2 气凝胶保护的扣式电池，初期 10 min 内温度远低于 CMP0 气凝胶保护的电池；与商用二氧化硅气凝胶相比，CMP2 气凝胶保护的电池前 4 min 温度更低，瞬态热防护效果更优。

2. 循环与长期热冲击可靠性：200℃热冲击循环 50 次后，CMP2 气凝胶的热传播延迟效果与初始状态基本一致，稳定性优于二氧化硅气凝胶；200℃下持续加热 4 h，CMP2 气凝胶仅靠近热板的表层发生轻微碳化，内部结构完整，仍能发挥部分隔热和热冲击防护作用；600℃热冲击下，完全碳化前仍具有明显的热延迟效果。

3. 有限元模拟：建立瞬态热传导有限元模型，对比 CMP0 气凝胶、纯相变材料、CMP2 气凝胶、二氧化硅气凝胶的热防护效果，结果表明 CMP2 气凝胶在瞬态过程中能有效降低保护面的积分热流，且热导率 0.04 W・m⁻¹・K⁻¹+ 潜热 120 J・g⁻¹ 的材料，瞬态热防护效果等效于热导率 0.027 W・m⁻¹・K⁻¹ 的传统隔热材料。
   

   

   图 5 CMP 气凝胶的热冲击防护应用 a 相变气凝胶应用于锂电池组热冲击缓解的示意图：可强化防护效果，隔离高温区域，保护电池组内其他组件，延缓热失控完全发生。b 适配 18650 圆柱电池的 CMP 气凝胶防护套，插图为适配扣式电池的防护样品。c CMP2 气凝胶与超临界干燥法制备的纳米多孔二氧化硅气凝胶的性能与特性对比。d 热冲击表征实验装置示意图。e 经 CMP0 和 CMP2 气凝胶防护的扣式电池温度变化曲线。f 经商用二氧化硅气凝胶和 CMP2 气凝胶防护的扣式电池温度变化曲线。g、h 热冲击过程中电池的红外照片。

图 6 潜热对热冲击抗性影响的有限元分析 a 热冲击抗性有限元模拟示意图。b 不同隔热材料防护下，保护面的时间积分热流曲线（插图为瞬时热流曲线）。c 材料热导率与潜热对时间积分热流的影响分布图。

原文：Thermal shock protection with scalable heatabsorbing aerogels

作者：Feng Xiong, Jiawei Zhou, Yongkang Jin，et al.

期刊：Nature Communications | (2024) 15:7125

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