在極端條件下，可靠隔熱材料需要兼具機械穩固性、靈活性和優異的隔熱性，這些特性往往相互排斥，難以同時實現。針對傳統陶瓷顆粒氣凝膠的脆性問題，採用一維柔性纖維作為基體，可構建效能優異的多孔陶瓷纖維氣凝膠。該氣凝膠因其低密度、低熱導率、優異的化學穩定性和多功能性顯示出作為高溫隔熱材料的良好潛力。然而，如何在三維宏觀尺度上組裝一維纖維，並充分發揮不同取向纖維的力學和熱效能，對於製備輕質、高效能耐高溫隔熱氣凝膠至關重要。
近日，哈爾濱工業大學赫曉東院士、何飛教授、李明偉研究員團隊提出了一種透過纖維沉降和電場誘導逐步調控纖維取向構建有序結構多功能陶瓷纖維氣凝膠的策略。相關研究成果以“Electric field-induced ordered-structural aerogels enable superinsulation and multifunctionality”為題發表在《Small》上。
https://doi.org/10.1002/smll.202406188
電場方法多用於誘導高導電材料的定向排列，如碳纖維、金屬纖維等。這些材料對電場的響應相對明顯，而對介電陶瓷纖維的電場誘導研究較少。該研究透過理論推導、多物理場模擬和實驗方法，揭示了介電陶瓷纖維取向電場方向運動的核心條件。
透過電場誘導策略，首次成功製備了具有定向纖維排列的有序結構塊體氣凝膠。纖維和對齊的纖維壁的協調彎曲使得該纖維氣凝膠具備良好的彈性，且纖維的有序排列極大提高了沿纖維軸向的力學強度。氣凝膠內短切纖維之間的介面相互作用與複雜的三維網路結構增加熱傳導的阻礙，使有序結構具備優異的隔熱效能。此外，有序結構氣凝膠有效增強了聲波的入射和散射，顯著提高了吸聲降噪能力。與現有的陶瓷纖維氣凝膠相比，該新型有序結構氣凝膠在力學效能、隔熱效能和吸聲效能上表現出優勢。
圖1 製備流程圖
圖2 微觀和宏觀結構圖
圖3力學效能
論文的通訊作者為哈爾濱工業大學航天學院複合材料與結構研究所何飛教授和材料學院李明偉研究員，第一作者為航天學院複合材料與結構研究所博士研究生李文潔。該工作得到了國家自然科學基金和船舶結構安全國家重點實驗室基金的支援。
近年來，該課題組在陶瓷纖維氣凝膠的微結構設計、可控制備及功能性研究方面還取得了多項研究成果。前期已成功設計並製備了輕質高效能耐高溫材料（ ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 15(39):46010-46021；Ceram. Int, 2024, 50: 18718-18728 ）及莫來石纖維/晶須分級結構材料（ Ceram. Int, 49: 13657-13665；J Eur Ceram Soc, 2022, 42: 5984-5994 ）。
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。感謝論文作者團隊支援。
