极端高温环境下，陶瓷气凝胶不仅要保持低热导，还必须抑制晶粒长大导致的纤维脆化、体积收缩和隔热失效；同时，500 °C以上热辐射成为主导传热通道，使结构稳定与辐射调控必须协同设计。哈尔滨工业大学Jingran Guo、Yuanpeng Deng、Hui Li和Xiang Xu团队提出晶界偏聚稳定策略，利用气流辅助离心纺丝规模化制备Y6Zr1O11层状纤维气凝胶，使Zr在氧化钇-氧化锆晶界富集并钉扎晶界迁移。
研究成果以“Grain boundary segregation of ceramic aerogels for reliable thermal insulation at extreme conditions”为题，于2026年8月31日在线发表于《Nature Communications》（SCI一区、TOP期刊 IF=18.1），DOI：10.1038/s41467-026-77371-w。最优Y6Zr1O11在1500 °C空气中保持约172 nm晶粒，24 h体积收缩仅2.37%；其近红外反射率最高达98.12%，在50 mg cm−3密度、1000 °C下热导率仅89 mW m−1 K−1。材料还可承受80%压缩、23.5%拉伸及100次1000–25 °C热冲击，并在约1300 °C火焰下维持结构和隔热。实验、DFT与混合蒙特卡洛-分子动力学共同表明，6:1的Y:Zr比例兼顾最大Zr晶界偏聚与单相稳定，是细晶强化和可靠高温隔热的关键。
图1 气流辅助离心纺丝制备层状陶瓷气凝胶
图1 陶瓷气凝胶的设计与制备。(a) 气流辅助离心纺丝及气凝胶制备流程：阶段I将聚乙酰丙酮钇（PAY）、聚乙酰丙酮锆（PAZ）和PVP前驱液送入纺丝盘；阶段II约10,000 rpm旋转产生离心拉伸，并以近场气流干燥拉伸、远场湍流逐层组装纤维；阶段III高温煅烧得到纤维陶瓷气凝胶。(b) 气凝胶置于花朵上的实物图及其层状、交织纤维SEM形貌。
装置在纺丝盘壁设置4条内弯气动槽，可在高速旋转时形成超过8 m s−1的外扩气流；纤维在60 cm半径收集壁上逐层沉积，形成30–50 mg cm−3低密度气凝胶。近场气流解决纤维干燥与拉伸，远场湍流负责三维层状组装，使离心纺丝从致密膜/环状产物转向可规模制造的整体气凝胶。
图2 Y6Zr1O11气凝胶的Zr晶界偏聚证据
图2 Y6Zr1O11气凝胶的晶界偏聚行为。(a) 多晶纤维明场TEM及选区电子衍射；(b) 晶粒内部原子分辨HAADF-STEM和EDS元素图；(c) 晶界高分辨HAADF-STEM及Y/Zr/O成分分布，插图标尺均为5 nm，灰色区表示晶粒内部；(d) Y6Zr1O11混合蒙特卡洛-分子动力学（MCMD）过程及沿晶界法向的Zr分数演化；(e) 不同Y-Zr摩尔比MCMD结果，橙色区标记Y6Zr1O11组成。
晶粒内部Y、Zr和O高度共定位，而约5 nm厚晶界出现Zr富集；晶界Zr信号比晶内高约20%。DFT/MCMD显示Y6Zr1O11具有最强偏聚倾向和最有利的能量稳定化。Y:Zr=6:1既最大化晶界偏聚，又避免继续增锆导致Y2Zr2O7相变，因此把偏聚钉扎效应与单相稳定性统一起来。
图3 晶界钉扎抑制高温晶粒长大与相变
图3 陶瓷气凝胶材料表征。(a,c) 不同Y-Zr摩尔比陶瓷纤维在1500 °C空气中退火2 h后的晶粒尺寸比较，插图标尺400 nm；(b) Y2O3和Y6Zr1O11在不同温度烧结后的XRD；(d) Rietveld精修得到Y6Zr1O11晶格常数及Zr占位随温度的变化；(e) Y2O3和Y6Zr1O11的Raman光谱；(f) Y6Zr1O11的TG-DSC结果。
1500 °C处理后，Y6Zr1O11平均晶粒仅约172 nm，明显小于无偏聚Y2O3的约419 nm和发生相变Y2Zr2O7的约288 nm。XRD/Rietveld显示材料保持高结晶单相立方Y2O3固溶体；升温促进Zr由富集晶界反溶进入晶粒，晶格常数由10.57 Å降至10.55 Å。Raman与TG-DSC未显示相变、显著质量变化或热事件，从结构和热分析两条证据链验证极端温度稳定性。
图4 超弹力学响应与1500°C热稳定性
图4 Y6Zr1O11气凝胶的力学与热性能。(a) 最高80%应变的压缩应力-应变曲线；(b) 拉伸应力-应变曲线及实物过程；(c) 360°循环扭转；(d) 1500 °C、2 h煅烧单纤维拉伸；(e) 1500 °C、24 h长期热稳定性；(f) 100次快速热冲击前后应力-应变曲线及红外图；(g) 双侧丁烷喷灯火焰中80%压缩；(h) 双侧火焰中单轴拉伸，插图标尺5 mm。
气凝胶可在80%压缩后完全恢复，500次50%压缩循环后应力仅衰减2.6%；拉伸应变达到23.5%，弯曲应变可达90%。1500 °C空气中放置24 h后体积收缩仅2.37%，而无偏聚或相变样品超过50%。100次1000–25 °C急剧热冲击后强度衰减低于1%，约1300 °C双侧火焰中仍可80%压缩回复并承受超过20%拉伸，证明细晶纤维与层状网络共同赋予宽温域热机械可靠性。
图5 极端环境隔热性能与航天热防护验证
图5 Y6Zr1O11气凝胶的隔热性能。(a) 不同陶瓷气凝胶的UV-Vis-NIR反射光谱；(b) 层状与随机纤维结构中的辐射反射和固体导热示意；(c) Y6Zr1O11气凝胶100–1000 °C热导率及高温后纤维形貌；(d) 密度不高于50 mg cm−3时与已报道气凝胶的热导率和工作温度比较；(e) 航天器热防护层应用示意及Y6Zr1O11背面红外图；(f) 火焰加热过程中前后表面温差；(g) 不同陶瓷气凝胶背面温度比较。
Y6Zr1O11在近红外区反射率最高达98.12%，层状网络通过逐层反射降低辐射穿透，并使主要固体导热路径与热流方向错开。在50 mg cm−3密度下，热导率由25 °C的28 mW m−1 K−1升至1000 °C的89 mW m−1 K−1。3 cm厚热防护层经约1300 °C火焰烧蚀30 min后，背面最高温度仅97.2 °C，前后温差超过1150 °C；在50%压缩振动循环下，顶面温度仍约78 °C，说明晶界稳定和辐射反射共同支撑可靠隔热。
该工作把晶界从被动缺陷转变为可设计的稳定单元：Y6Zr1O11中Zr晶界偏聚钉扎迁移，在1500 °C维持约172 nm细晶和2.37%的24 h体积收缩；层状纤维网络同时实现力学回复和逐层近红外反射。1000 °C热导率89 mW m−1 K−1、近红外反射率98.12%及约1300 °C火焰隔热实测共同证明其极端环境可靠性。
其可迁移设计原则是：选择能够在晶界强偏聚、降低晶界能且不诱发第二相的组分窗口，并用宏观层状结构同步抑制固体导热和热辐射。该策略为航天、军事及高温工业中的轻质陶瓷热防护提供了材料和制造路径。
Grain boundary segregation of ceramic aerogels for reliable thermal insulation at extreme conditions
Zhengli Yan, Yingde Zhao, Jingran Guo*, Han Zhao, Jinyu Xu, Shixuan Dang, Duola Wang, Chuanyun Song, Hongxuan Yu, Jianing Zhang, Dizhou Liu, Jiali Chen, Cong Li, Tiande Lin, Haiyang Zhao, Shaoyi Zhang, Wenli Chen, Yuanpeng Deng*, Hui Li* & Xiang Xu*
Nature Communications, 2026, Article in Press; received 13 November 2025, accepted 18 August 2026, published online 31 August 2026
https://doi.org/10.1038/s41467-026-77371-w
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