陶瓷气凝胶具有高孔隙率、大比表面积、低密度、低热导率和良好的热氧化稳定性等特点，使其成为隔热保温领域的热门材料，尤其适用于空气中高温暴露等极端条件。传统上，这类气凝胶具有珍珠项链状的三维网络微观结构，通过狭窄的颗粒间颈部连接。这种结构连续性本质上导致了纳米颗粒基陶瓷气凝胶的脆性。此外，由于小尺寸纳米颗粒表面能较高，高温下会发生严重的颗粒团聚和孔隙坍塌，进而导致气凝胶结构开裂、强度下降、体积收缩，甚至完全丧失隔热性能。迄今为止，大多数纳米颗粒基陶瓷气凝胶在空气中经1100°C以上热处理后，结构都会发生降解。

近年来，新兴的纳米纤维陶瓷气凝胶由大量直径100-300 nm、长度 20-150 μm 的缠结纳米纤维构成，不仅能有效克服陶瓷气凝胶脆性问题，还能大幅提升耐热能力。但需注意的是，柔软的纳米纤维陶瓷气凝胶在极小外力作用下易变形，这极大地限制了其仅能应用于对弹性有要求的工作场景。然而，大多数隔热场景更倾向于使用刚性材料。此外，各类飞行器、导弹和熔炉的先进隔热保温系统的持续发展，对更高温度下的热稳定材料提出了需求。因此，制备在超高温（>1300°C）下仍具有超低热导率和优异热稳定性的刚性隔热陶瓷气凝胶，依然极具挑战性。

为此，国内有关研究团队通过组装策略设计了一种新型、超高温隔热且坚固的陶瓷纳米棒气凝胶。在该体系中，Al2O3纳米棒作为基本构建单元，SiO2溶胶作为粘结剂将构建单元，形成陶瓷纳米棒气凝胶（CNRAs）。研究显示，CNRAs 展现出综合优异性能：超强耐热性（最高可达1400°C）、低热导率（25°C 时为0.026 W/m・K，1200°C 时为0.089 W/m・K）、高机械强度（抗压强度1.5 MPa）以及低密度（0.146 g/cm³）。这种新型纳米棒组装陶瓷气凝胶相较于大多数现有陶瓷气凝胶，在极端恶劣环境下的超强隔热应用中具有显著优势。

小结

上述通过Al2O3纳米棒与SiO2溶胶的可控组装，构建了具有多级大孔-介孔结构的陶瓷纳米棒气凝胶，为开发用于超高温环境的高性能超强隔热气凝胶提供了新的思路。

图1 陶瓷纳米棒气凝胶（CNRAs）典型制备过程示意图，主要包括纳米棒合成、溶胶凝胶化、超临界干燥和高温退火四个步骤

图2 陶瓷纳米棒气凝胶（CNRAs）的结构表征。(A) 陶瓷纳米棒气凝胶（CNRAs）的实物照片；(B) 陶瓷纳米棒气凝胶（CNRA）经 1300°C 丁烷喷灯加热后无任何损伤的实物照片；(C−E)不同放大倍数下陶瓷纳米棒气凝胶（CNRAs）的扫描电子显微镜（SEM）图像；(F)(E)中标记区域的放大扫描电子显微镜（SEM）图像

图3 纤维增强陶瓷纳米棒气凝胶（FRCNRAs）的制备及隔热性能。(A) 大尺寸、多形状纤维增强陶瓷纳米棒气凝胶（FRCNRAs）的光学图像；(B) 纤维增强陶瓷纳米棒气凝胶（FRCNRAs）在不同高温下的热导率；(C) 纤维增强陶瓷纳米棒气凝胶（FRCNRAs）的石英灯静态模拟实验曲线，插图为该气凝胶在 1500°C 下单侧加热 1800 秒前后的光学图像

图4 纤维增强陶瓷纳米棒气凝胶（FRCNRAs）的隔热性能及机理。(A) 纤维增强陶瓷纳米棒气凝胶（FRCNRAs）在 400°C 加热台上不同时长下的光学图像与红外图像；(B) 纤维增强陶瓷纳米棒气凝胶（FRCNRAs）与铁、铝、树脂基复合材料在防止石蜡熔化方面的隔热能力对比；(C) 不同气凝胶材料的热导率与最高工作温度关系图；(D) 陶瓷纳米棒气凝胶（CNRAs）的结构强度及隔热性能示意图

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c02501

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