背景介绍
提高隔热性能对于解决热防护和能源效率挑战至关重要。尽管二氧化硅气凝胶在环境压力下具有极低的热导率，但由于其纳米级多孔结构导致生产成本高昂，阻碍了其广泛应用。隔热材料在各类应用中发挥着关键的热量管理作用，包括住宅供暖与制冷系统、电动汽车热管理、高温热屏蔽设备以及恶劣环境适应等场景。创建高效隔热材料的核心目标是阻止热量传递到特定区域，过去研究主要集中在开发具有低稳态热导率的材料。气凝胶通过构建纳米多孔结构，使热导率低至0.01 W・m⁻¹・K⁻¹，是性能优异的隔热材料，但纳米多孔结构的制备需要高成本前驱体和能耗密集的超临界干燥工艺，且需复杂的溶剂交换步骤，限制了其规模化应用。传统隔热材料如玻璃纤维毡、聚氨酯海绵等虽生产简便、成本低廉，但微米级孔隙结构难以有效限制空气分子运动，热导率通常在 0.03-0.1 W・m⁻¹・K⁻¹ 之间，隔热性能受限。阻碍热流的另一种策略是降低材料的热扩散率 α（α=k/(ρcₚ)），热扩散率在瞬态热过程中起关键作用。相变材料（PCMs）通过相变吸收热量，可有效提高热容、降低热扩散率，延缓瞬态热传递，尤其适用于短时强热脉冲防护场景。理想的热冲击防护材料应同时具备低导热率和低热扩散率，但传统纳米多孔结构策略在降低导热率的同时会伴随密度下降，难以显著降低热扩散率。因此，开发兼具低导热率、低热扩散率且成本可控的隔热材料，成为热防护领域的重要研究方向。
成果简介
北京大学邹如强教授团队提出了一种经济温和的方法，通过将相变材料（PCMs）嵌入微米多孔框架中，开发出兼具低导热率和低热扩散率的 PCM 气凝胶。该材料采用成本效益高、可规模化的水相原位限制法制备，热导率低至 0.041 W・m⁻¹・K⁻¹，与传统隔热材料相当，且通过相变吸热效应显著延缓热传播，展现出优异的瞬态高温热冲击防护能力。
PCM 气凝胶在高达 300℃的温度下保持热稳定性和机械稳定性，经过 50 次以上冷热循环后性能无明显衰减，且具有自熄特性。在锂电池热冲击防护应用中，该材料能有效延缓热失控蔓延，初始阶段的隔热效果优于商用二氧化硅气凝胶，且制备过程无需复杂的超临界干燥工艺，成本更低、可扩展性更强。该成果为低成本高性能隔热材料的开发提供了新路径，在热防护、节能等领域具有广泛应用前景。
相关研究工作以“Thermal shock protection with scalable heat-absorbing aerogels” 为题发表在“ Nature Communications ”杂志上，该论文第一作者为Feng Xiong。
图文导读
图 1 热冲击下隔热材料的作用示意图
(a) 气凝胶的隔热机理：凭借低导热率有效阻碍稳态热传递，维持显著温差以隔离热冲击；(b) 相变材料的控温行为：通过潜热吸收强化热冲击防护能力，延缓热传播；(c) PCM 气凝胶的设计理念：结合气凝胶与 PCMs 的优势，既通过多孔结构实现低导热率，又借助潜热吸收能力提升热冲击防护性能，在热冲击下保持稳定温度，有效减轻热冲击影响。
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）一步冷冻干燥合成示意图：通过水相原位限制法将 PEG（相变材料）封装在壳聚糖 / 三聚氰胺甲醛树脂框架中，经凝胶化、冷冻干燥获得气凝胶；(b) 气凝胶骨架结构示意图：展示 PEG 分子链在壳聚糖模板支撑的热固性树脂交联区间内的限域状态；(c) 不同形状和尺寸的 CMP 气凝胶样品实物图，证明其可定制性；(d) 液氮中断裂的 CMP 气凝胶扫描电子显微镜（SEM）图像：显示微米级孔隙均匀分布；(e) CMP2 气凝胶的透射电子显微镜（TEM）图像及选区电子衍射（SAED）图谱：黄色区域对应 PEG6k 晶体的 (120) 晶面，晶面间距为 4.6 Å，证实 PEG 成功限域；(f) CMP 样品与反应物的傅里叶变换红外（FTIR）光谱：-NH₂基团的特征峰消失，出现 - NH - 基团的特征峰，证明交联反应发生；(g) CMP 气凝胶的 X 射线衍射（XRD）图谱：随 PEG 含量增加，PEG6k 的特征衍射峰强度增强，表明 PEG 在限域后仍保持结晶性。
图 3 增强热冲击抗性表征
(a) 激光闪射法测试示意图：采用厚度约 2 mm 的圆盘样品，通过激光脉冲加热样品正面，红外探测器监测背面温度变化；(b) CMP 气凝胶的热导率与密度关系：热导率随密度增加从 CMP0 的 0.041 W・m⁻¹・K⁻¹ 增至 CMP5 的 0.082 W・m⁻¹・K⁻¹，均处于传统隔热材料范围内；(c) 瞬态激光热冲击下的温度响应曲线：20℃时 CMP0（无 PCM）与 CMP2（含 PCM）温度上升曲线相近；50℃时 CMP2 因 PEG 相变吸热，温度上升显著延迟，体现低热扩散率优势；(d) 各类气凝胶与相变材料的热导率 - 热扩散率分布图：传统气凝胶低热导率但热扩散率中等，PCMs 热导率较高，本研究的 CMP 气凝胶兼具低导热率和低热扩散率特性。
图 4 CMP 气凝胶的热稳定性
(a) 熔融与凝固过程的原位 XRD 图谱：随温度升高，PEG 的结晶峰逐渐消失，出现无定形区域特征峰，65℃以下完成相变；(b) CMP 气凝胶的相变潜热与温度关系：PEG 含量为 86.6 wt.% 时，相变潜热最高达 152.1 J・g⁻¹，相变温度在 40-50.7℃之间；(c) CMP 气凝胶经过 50 次加热 - 冷却循环后的差示扫描量热（DSC）曲线：吸热和放热曲线几乎重合，证明其热循环稳定性；(d-f) 不同材料在 40℃、80℃、300℃下的红外图像：PEG 在 80℃完全熔化，聚氨酯（PU）在 300℃结构破坏，而 CMP 气凝胶形状保持稳定；(g-h) 热循环前后 CMP 气凝胶的孔径分布曲线：峰形、峰位基本不变，证明微观结构稳定性；(i) CMP 气凝胶与文献报道材料的高温形状稳定性对比：CMP 在 300℃以上仍保持形状稳定，优于多数已报道的相变复合隔热材料。
图 5 CMP 气凝胶的热冲击防护应用
(a) 锂电池组热冲击缓解示意图：PCM 气凝胶可隔离高温区域，延缓热失控蔓延，保护电池组其他组件；(b) 适用于不同类型电池（18650 圆柱电池、纽扣电池、软包电池）的 CMP 气凝胶包覆件示意图；(c) CMP2 气凝胶与纳米多孔二氧化硅气凝胶的性能对比：CMP2 无需超临界干燥，制备周期更短、成本更低；(d) 热冲击表征实验装置示意图：将气凝胶样品置于 200℃加热台与纽扣电池之间，红外相机监测电池温度；(e) CMP0 与 CMP2 保护下纽扣电池的温度曲线：CMP2 保护的电池在初始 10 min 内温度显著低于 CMP0；(f) 商用二氧化硅气凝胶与 CMP2 气凝胶保护下纽扣电池的温度曲线：尽管 CMP2 热导率（0.045 W・m⁻¹・K⁻¹）高于二氧化硅气凝胶（0.026 W・m⁻¹・K⁻¹），但初始 4 min 内电池温度更低；(g-h) 热冲击过程中电池的红外照片：直观展示 CMP2 气凝胶延缓温度上升的效果。
图 6 潜热对热冲击抗性影响的有限元（FE）分析
(a) 热冲击抗性有限元模拟示意图：模拟单侧突然升温时，不同隔热材料对受保护面热传递的阻碍效果；(b) 不同材料保护下受保护面的时间积分热通量曲线：本体 PCM 因热导率高，热通量最大；CMP2 气凝胶在初始阶段热通量最低，相变完成后热通量逐渐接近 CMP0；(c) 热导率与潜热对时间积分热通量的影响图谱：蓝色代表防护性能优异，红色代表防护性能较差。结果显示，热导率 0.04 W・m⁻¹・K⁻¹、潜热 120 J・g⁻¹ 的材料，其瞬态热防护效果与热导率 0.027 W・m⁻¹・K⁻¹ 的传统材料相当。
文章标题：“Thermal shock protection with scalable heat-absorbing aerogels”
Feng Xiong, Jiawei Zhou, Yongkang Jin, Zitao Zhang, Mulin Qin, Haiwei Han, Zhenghui Shen, Shenghui Han, Xiaoye Geng, Kaihang Jia & Ruqiang Zou*
DOI: 10.1038/s41467-024-51530-3
文章链接: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51530-3
研读感想
北京大学邹如强教授团队针对传统气凝胶成本高、传统隔热材料瞬态热防护能力不足的问题，创新性地将相变材料与微米多孔气凝胶结合，提出了“低导热率 + 低热扩散率” 的双优设计策略。通过水相原位限制法，成功制备出兼具成本优势和热冲击防护性能的 CMP 气凝胶，突破了纳米多孔结构依赖超临界干燥的制备瓶颈，实现了材料的规模化制备潜力。
该材料的核心优势在于：一方面，微米多孔结构保证了与传统隔热材料相当的低导热率；另一方面，嵌入的相变材料通过潜热吸收显著降低热扩散率，使材料在瞬态热冲击场景中表现出优于传统气凝胶的防护效果。在锂电池热管理等关键应用中，其不仅能有效延缓热失控，还具备良好的热循环稳定性、高温形状稳定性和自熄特性，解决了实际应用中的可靠性问题。
此外，有限元模拟进一步揭示了潜热在瞬态热防护中的关键作用，为后续隔热材料的性能优化提供了理论指导。该研究不仅填补了低成本瞬态热防护材料的空白，也为气凝胶材料的功能拓展和产业化应用开辟了新路径，有望在建筑节能、电子设备热管理、航空航天等领域产生广泛影响。
研读人简介
周林灿，湖北黄冈人，在读硕士研究生
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