出版年份：2026年
来源：Nature Communications
研究背景
通讯作者：浙江大学高分子科学与工程学系 高微微 副教授 & 浙江大学化学工程与生物工程学院 柏浩 教授
气凝胶自20世纪30年代问世以来，在隔热与热防护领域受到广泛关注。面向零碳建筑和电动汽车等新兴应用，气凝胶不仅需在日常运行中降低热量输入，还需在极端热暴露条件下保持可靠防护能力。上述需求已超出传统隔热范畴，要求材料在单一体系中兼具高效热管理、力学回弹性与持续热防护。围绕上述目标，研究人员利用陶瓷、碳、金属及聚合物构建多种气凝胶。尽管陶瓷、碳和金属气凝胶本质不可燃，但实际应用仍受成本高、脆性大、制备复杂及火焰暴露后隔热性能衰减等因素限制。相比之下，聚合物气凝胶具有成本低、回弹性好及分子网络设计灵活等优势，但在火焰作用下易发生结构坍塌并迅速丧失隔热能力，难以实现持续热防护。
与以C–C键为骨架的普通聚合物气凝胶不同，有机硅气凝胶具有Si–O键构成的硅氧烷主链。Si–O键具有较高键能和较低旋转能垒，可赋予材料优异热稳定性与力学柔性。更重要的是，该化学结构既可使硅氧烷骨架在火焰暴露下发生陶瓷化，形成抑制燃烧并延缓热量传递的陶瓷层，又具有有利于被动辐射制冷的光谱选择性，使有机硅气凝胶在电动汽车和建筑热管理领域具有较高应用潜力。然而，现有有机硅气凝胶仍难同时满足日常与极端条件下热管理需求：日常服役条件下，高孔隙率与力学柔性通常难以兼顾。采用长链前驱体经牺牲模板、化学发泡或超临界发泡制备时，较弱链间作用和较低熔体强度易引起溶剂去除阶段孔隙坍塌，限制材料孔隙率；采用短链前驱体的溶胶-凝胶路线虽可获得较高孔隙率，却通常形成高度交联且脆性的网络。极端火焰条件下，仅抑制燃烧难以实现持续热防护。其原因在于，陶瓷化层本身热导率较高，且陶瓷化过程易诱发裂纹，从而进一步强化热传递。
研究内容 本文采用乳液冰模板与有机-无机界面缩合相结合的方法，构建SiO2网络增强的连续有机硅气凝胶，旨在兼顾高孔隙率、力学回弹性、隔热、持续热防护及日间辐射制冷性能。具体而言，首先制备SiO2网络增强连续有机硅杂化气凝胶，通过调控SiO2前驱体用量、反应时间、乳液浓度及乳化剂浓度，研究制备参数对孔结构、孔隙率及变形行为的影响，揭示有机-无机界面缩合与杂化网络形成机制；随后开展不同应变下压缩恢复、循环疲劳及高低温压缩试验，评价气凝胶力学回弹性与稳定性，并结合室温导热性能分析杂化网络对力学与隔热性能的协同调控作用；在此基础上，研究不同热处理温度及火焰暴露时间下陶瓷化行为与孔壁结构演变，揭示火焰诱导纳米中空结构形成机制，并通过约1300 ℃火焰测试评价持续热防护能力；同时，结合太阳光谱反射率、大气窗口发射率及室外测试评价日间辐射制冷性能，并考察材料环境耐受性与大尺寸制备可行性；最终，阐明杂化网络稳定、火焰诱导纳米中空陶瓷化及辐射换热协同作用下多工况热管理机制。 图1 有机硅气凝胶制备及原位纳米空心化过程示意：（a）气凝胶制备过程；（b）D4乳液液滴开环聚合过程；（c）水相反应过程，包括TEOS水解、缩合及接枝；（d）冷冻组装及杂化孔壁形成过程；（e）杂化孔壁结构，其中连续有机硅基体由SiO2网络增强，白色圆点表示SiO2网络；（f）火焰暴露下伴随原位纳米空心化的陶瓷化过程；（g）火焰诱导杂化孔壁结构演变（D4：八甲基环四硅氧烷；TEOS：正硅酸乙酯；DBSA：十二烷基苯磺酸；OA：丙烯酸十八烷基酯） 图2 有机硅气凝胶形成与结构调控：（a）SiO2含量不足、适中、过高及过度生长条件下孔壁结构示意；（b）相应气凝胶光学照片及孔壁SEM图像；（c）相应气凝胶压缩过程照片；（d）以反应时间及交联剂与直链有机硅摩尔比为变量构建的相图，根据孔隙率与力学性能划分为四个区域 图3 有机硅气凝胶结构、力学及热学性能：（a）气凝胶光学照片；（b）多孔结构SEM图像；（c）孔壁超薄切片TEM图像；（d）孔壁中硫元素EDS面扫描结果；（e）不同最大应变下加载-卸载压缩应力-应变曲线；（f）气凝胶扭转与卷曲过程连续光学照片；（g）20%压缩应变下第100~10000次加载-卸载循环应力-应变曲线，表明材料具有良好长期循环稳定性；（h）气凝胶在−150 ℃冷台和250 ℃热台上压缩与恢复过程连续光学图像；（i）本文有机硅气凝胶与传统方法制备有机硅基泡沫及气凝胶导热系数和弹性可恢复应变的Ashby图 图4 火焰诱导原位纳米空心化及持续热防护性能：（a）陶瓷化前后光学照片；（b）陶瓷化后气凝胶SEM图像；（c）陶瓷化前后导热系数；（d）火焰防护试验装置示意图；（e）火焰防护过程中气凝胶背面连续红外热像及光学照片；（f）不同区域红外光谱；（g）不同有机硅气凝胶耐火焰试验中背面温度变化曲线；（h）本文气凝胶与文献报道材料火焰防护性能对比；（i）杂化有机硅气凝胶与常规有机硅气凝胶火焰暴露过程中连续光学照片及火焰作用后陶瓷化形貌 图5 有机硅气凝胶辐射制冷性能：（a）大气透过波段内气凝胶化学键及官能团特征光谱；（b）气凝胶反射率与发射率光谱，并分别与AM1.5太阳光谱及实际大气窗口光谱对比，AM1.5表示大气质量为1.5时的太阳光谱；（c）室外辐射制冷试验温度变化；（d）日照条件下，有机硅气凝胶、白色涂料和覆铝箔有机硅气凝胶覆盖，以及无覆盖小屋模型的光学照片与红外热像；（e）不同覆盖条件下小屋模型内部温度变化；（f）有机硅气凝胶用于建筑被动降温的应用及工作原理示意图；（g）大尺寸气凝胶样品光学照片 本文通过连续有机硅基体与原位SiO2网络协同构筑杂化孔壁，使气凝胶兼具高孔隙率、力学回弹性、低导热系数及日间辐射制冷能力，并利用火焰诱导原位纳米空心化陶瓷化实现持续热防护。主要结论如下： （1）杂化网络可同时维持高孔隙率与柔性骨架。原位SiO2网络通过硅醇缩合与连续有机硅基体连接，增强界面应力传递并抑制干燥收缩，而直接填充SiO2纳米颗粒无法形成同等稳定结构。通过调节乳液浓度，气凝胶孔隙率可在75%~99%范围内调控，最低密度约为0.012 g/cm3，表明原位网络构筑可有效支撑超轻多孔结构。 （2）材料兼具大变形恢复、循环耐久性与低导热性能。气凝胶在95%压缩应变后可完全恢复；在20%压缩应变下，第100~10000次循环应力-应变滞回曲线基本保持稳定。在−150 ℃冷台和250 ℃热台条件下，材料经80%压缩后仍可恢复形状。未陶瓷化气凝胶室温导热系数为28.6 ± 1.2 mW/(m·K)，表明低导热与高回弹性可在同一材料体系中协同实现。 （3）原位纳米空心化进一步增强陶瓷化后隔热能力。有机硅相热降解与氧化产生质量及体积损失，并在SiO2支撑网络中形成约100 nm纳米孔。该孔径与空气分子平均自由程约70 nm接近，有利于抑制气相传热并降低固相热传导。经800 ℃炉内陶瓷化后，材料室温导热系数由约28.6 mW/(m·K)降至约22.8 mW/(m·K)，与商用参照样品陶瓷化后导热系数升高趋势相反。 （4）纳米多孔陶瓷屏障可提供持续火焰防护。在约1300 ℃丁烷火焰连续作用下，10 mm厚杂化气凝胶板背面温度至少25 min保持低于120 ℃，试验后仍保持宏观完整；相同条件下，商用有机硅气凝胶背面温度迅速升至约270 ℃，并形成明显开裂陶瓷层。两者背面温度相差约150 ℃，表明原位纳米空心化与稳定支撑网络共同增强持续隔热性能。热分析显示材料在空气中总体呈放热响应，说明持续热防护主要源于高效隔热屏障形成，而非降解吸热。 （5）高太阳反射率、高红外发射率与低导热性能协同实现被动降温。材料太阳反射率达到95.4%，8~3 μm大气窗口发射率为96.4%。2026年7月24日中国杭州晴空屋顶试验中，30 mm × 30 mm × 5 mm试样在11:00~17:00持续低于环境温度，最大温差达到7.7 ℃，夜间最大温差为2.1 ℃。小屋模型试验中，杂化气凝胶覆盖模型内部温度较空白模型最多降低约7.1 ℃，且低于白色涂料及覆铝箔气凝胶对照。上述结果表明，隔热与辐射制冷可形成协同热管理效应，为建筑被动热管理提供应用依据。
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