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研究背景
在极端条件下的隔热材料需要在承受复杂热机械应力的同时，保持卓越的隔热性能，尤其是在超过1000°C的高温环境中。陶瓷气凝胶作为一种优异的隔热材料，通常具有超低的热导率，但其在极高温度下会因热震和机械应力导致热导率显著上升，结构稳定性差，甚至可能发生灾难性失效。因此，如何在保持极低热导率的同时，增强陶瓷气凝胶的热稳定性和机械韧性，成为了材料科学中的重大挑战。
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本文要点
1. 多尺度结构设计。 通过设计具有锯齿形结构的假晶体二氧化锆纳米纤维气凝胶（ZAGs），实现了接近零的泊松比和热膨胀系数。这种结构设计使得ZAGs不仅在高温下具有极低的热导率，还具备卓越的热机械稳定性，能够承受极端热震和高温暴露。
2. 优异热稳定性与极低热导率。ZAGs在1000°C时的热导率为104 mW/m·K，远低于传统陶瓷气凝胶，且在高温下保持优异的热稳定性。通过在假晶体纤维中捕获残余碳，显著减少了热辐射传热，使得ZAGs在极端高温下的隔热性能达到行业领先水平。
3.超高机械性能与耐用性。ZAGs表现出极高的机械弹性和耐久性，能够在压缩、拉伸、弯曲和扭转等应力下保持结构的恢复能力。其压缩应变可达到95%，并且在1000次循环压缩后，几乎没有应力降解，展现出出色的抗疲劳能力。
图1. 假晶体陶瓷纳米纤维气凝胶的多尺度设计与热力学行为
图2. ZAGs的制造过程与材料表征
图3. ZAGs的机械性能测试
图4. ZAGs在极端条件下的热稳定性与隔热
性能评估
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研究结论
通过创新的多尺度设计，假晶体二氧化锆纳米纤维气凝胶（ZAGs）在极端条件下展现出优异的热稳定性和超低的热导率，成为一种理想的隔热材料。ZAGs不仅能在超过1300°C的高温下保持稳定，还能有效抵御热震带来的结构损害。凭借其在极端环境下的优越性能，ZAGs为深空探测、深地探测、高温炉具及防火服等领域的热管理提供了强有力的支持。
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文章信息
Jingran Guo, Shubin Fu, Yuanpeng Deng, Xiang Xu*, Shujin Laima, Dizhou Liu, Pengyu Zhang, Jian Zhou, Han Zhao, Hongxuan Yu, Shixuan Dang, Jianing Zhang, Yingde Zhao, Hui Li*, Xiangfeng Duan*. Nature, 606 (2022), 909-915.
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04784-0
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