在极端条件下，可靠隔热材料需要兼具机械稳固性、灵活性和优异的隔热性，这些特性往往相互排斥，难以同时实现。针对传统陶瓷颗粒气凝胶的脆性问题，采用一维柔性纤维作为基体，可构建性能优异的多孔陶瓷纤维气凝胶。该气凝胶因其低密度、低热导率、优异的化学稳定性和多功能性显示出作为高温隔热材料的良好潜力。然而，如何在三维宏观尺度上组装一维纤维，并充分发挥不同取向纤维的力学和热性能，对于制备轻质、高性能耐高温隔热气凝胶至关重要。
近日，哈尔滨工业大学赫晓东院士、何飞教授、李明伟研究员团队提出了一种通过纤维沉降和电场诱导逐步调控纤维取向构建有序结构多功能陶瓷纤维气凝胶的策略。相关研究成果以“Electric field-induced ordered-structural aerogels enable superinsulation and multifunctionality”为题发表在《Small》上。
https://doi.org/10.1002/smll.202406188
电场方法多用于诱导高导电材料的定向排列，如碳纤维、金属纤维等。这些材料对电场的响应相对明显，而对介电陶瓷纤维的电场诱导研究较少。该研究通过理论推导、多物理场模拟和实验方法，揭示了介电陶瓷纤维取向电场方向运动的核心条件。
通过电场诱导策略，首次成功制备了具有定向纤维排列的有序结构块体气凝胶。纤维和对齐的纤维壁的协调弯曲使得该纤维气凝胶具备良好的弹性，且纤维的有序排列极大提高了沿纤维轴向的力学强度。气凝胶内短切纤维之间的界面相互作用与复杂的三维网络结构增加热传导的阻碍，使有序结构具备优异的隔热性能。此外，有序结构气凝胶有效增强了声波的入射和散射，显著提高了吸声降噪能力。与现有的陶瓷纤维气凝胶相比，该新型有序结构气凝胶在力学性能、隔热性能和吸声性能上表现出优势。
图1 制备流程图
图2 微观和宏观结构图
图3力学性能
论文的通讯作者为哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所何飞教授和材料学院李明伟研究员，第一作者为航天学院复合材料与结构研究所博士研究生李文洁。该工作得到了国家自然科学基金和船舶结构安全国家重点实验室基金的支持。
近年来，该课题组在陶瓷纤维气凝胶的微结构设计、可控制备及功能性研究方面还取得了多项研究成果。前期已成功设计并制备了轻质高性能耐高温材料（ ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 15(39):46010-46021；Ceram. Int, 2024, 50: 18718-18728 ）及莫来石纤维/晶须分级结构材料（ Ceram. Int, 49: 13657-13665；J Eur Ceram Soc, 2022, 42: 5984-5994 ）。
本文来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队支持。
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