极端环境热防护的应用场景对气凝胶材料提出了更高的性能要求：一方面，需兼具超低热导率和优异力学性能；另一方面，需突破低成本和易规模化的气凝胶制备技术，也让原本艰巨的任务变得更加困难。

东华大学朱美芳院士团队设计并构筑了“多孔砖和纤维”结构的仿贝壳纳米复合气凝胶（SCQs），通过在层状纤维素纳米纤维凝胶网络中原位生长介孔无机矿物来实现。基于跨维度、跨尺度的结构适配工作原理，该有机无机纳米复合SCQs在环境压力干燥过程中具有快速结构回复能力，为气凝胶材料的低成本规模化制备奠定基础。

制备得到的纳米复合气凝胶具有优异的抗压性能，可以承受成人的压力而不变形，即使在更大的应力下，依然能够恢复其原始形状，同时具有优异的弯曲柔性；另一方面，这一气凝胶具有优异的绝热性能，热导率值低至17.4 mW m-1 K-1，远低于理想的绝热体-静止的空气，与目前航天用隔热材料-多层隔热毡相比，不仅具有更优异的耐热性能，而且在一个大气压或稀薄气压环境均具有更优异的隔热性能。多方面综合优势使这一气凝胶材料在航空航天、国防军工以及智能电子热防护领域具有极大的应用前景。

纳米复合气凝胶设计构筑

图1 纳米复合气凝胶设计原则与常压干燥结构回复原理

作者借鉴自然界经典结构材料贝壳的原位矿化合成方法，以层状细菌纤维素纳米纤维网络为模板，诱导介孔聚硅氧烷网络原位生成，获得了具有“多孔砖和纤维”结构的仿贝壳纳米复合气凝胶（SCQs）（图1）。有机无机组分的多尺度结构适配赋予了纳米复合气凝胶在环境压力干燥过程中的快速结构回复能力，并解决了气凝胶材料优异力学性能与隔热性能难以兼具的难题。

纳米复合气凝胶力学性能

图2 纳米复合气凝胶仿贝壳结构

因具有仿贝壳的“多孔砖和纤维”结构，纳米纤维复合气凝胶（SCQs）集成了优异的力学性能。1）优异的抗拉性能，SCQs拉伸强度和模量分别高达2.0 MPa和24 MPa，可以支撑起高于其本身质量四个数量级的重物而不断裂（图2）；2）由于层内纤维增强和层间纤维介导滑移作用，SCQs具有优异的弯曲柔性，可以承受大的弯曲和扭转变形而不断裂，同时兼具优异的可加工性能，可以被裁剪成各种复杂的形状而不发生结构坍塌或破碎；3）SCQs表现出高刚性特征，可以承受一个成人的压应力而不发生形变，同时SCQs具有超弹性能，即使承受汽车的碾压依然能回复其原始的形状。SCQs还具有良好的抗冲击性能（图3）；4）SCQs在疲劳应力/应变循环和极端温度条件下，依然表现出优异的结构稳定性。

图3 纳米复合气凝胶抗压性能

纳米复合气凝胶绝热性能

图4 纳米复合气凝胶高绝热性能

图5 纳米复合气凝胶作为多层隔热毡的替代方案

纳米纤维复合气凝胶（SCQs）具有优异的绝热性能，热导率值低至17.4 mW m-1 K-1；燃烧实验表明SCQs可以有效阻止火焰传播和热量传递，具有阻燃性和火焰自熄性能（图4）；得益于高度多孔的结构和骨架上大量的疏水基团（Si-CH3），SCQs具有超疏水性能（接触角：158.5°），在高湿度环境具有稳定隔热性能。

SCQs集成优异的力学性能和超低热导率，有望应用于极端环境热防护。多层隔热毡是航空航天领域广泛应用的热控材料，这一材料在真空环境具有极佳的隔热性能，然而在具有大气的环境中如地球和火星，隔热性能显著下降。测试表明在一个大气压和模拟火星气压环境下SCQs热导率值远低于MLIs，且SCQs相比于MLIs具有更高的热稳定性，有望替代MLIs应用于航空航天领域（图5）。

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