編輯推薦：目前氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料制備工藝較為復(fù)雜，高溫?zé)釋?dǎo)率偏高，最高使用溫度不超過(guò)1300℃。本文通過(guò)簡(jiǎn)化的工藝，制備出了一種使用溫度可達(dá)1500℃的高強(qiáng)韌低熱導(dǎo)氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料，是耐高溫氣凝膠隔熱材料研究領(lǐng)域的重大突破。

氧化鋁-氧化硅氣凝膠的低密度、耐高溫、低熱導(dǎo)特性使其在高溫隔熱保溫領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，阻礙其發(fā)展和應(yīng)用的主要瓶頸在于脆性大、高溫?zé)釋?dǎo)率較高、制備工藝復(fù)雜。2008年以來(lái)，研究人員以陶瓷纖維（石英纖維、莫來(lái)石纖維、氧化鋯纖維等）或硼酸鋁晶須與氧化鋁-氧化硅氣凝膠進(jìn)行復(fù)合，顯著提高了氣凝膠的力學(xué)性能和高溫隔熱性能。然而，目前報(bào)道的氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料制備過(guò)程包括溶劑置換、凝膠改性、纖維清洗或多孔骨架制備等諸多步驟，制備工藝仍較為復(fù)雜；同時(shí)，材料高溫?zé)釋?dǎo)率仍然偏高，且最高使用溫度不超過(guò)1300℃。

為此，國(guó)防科技大學(xué)馮堅(jiān)團(tuán)隊(duì)提出了一種簡(jiǎn)便的溶膠-浸漬-凝膠（SIG）和超臨界干燥（SCFD）策略，開(kāi)發(fā)出新型耐1500℃高強(qiáng)韌低熱導(dǎo)氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料。相關(guān)論文以題為“Thermally insulating, fiber-reinforced alumina–silica aerogel composites with ultra-low shrinkage up to 1500 °C”發(fā)表在Chemical Engineering Journal上，論文第一作者為彭飛博士，姜勇剛副研究員和馮堅(jiān)研究員為論文的共同通訊作者。

該團(tuán)隊(duì)以氧化鋁–氧化硅溶膠直接浸漬莫來(lái)石纖維形成凝膠/纖維復(fù)合體，然后經(jīng)超臨界干燥和熱處理獲得了耐1500℃高強(qiáng)韌低熱導(dǎo)氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱材料，制備過(guò)程摒棄了溶劑置換、凝膠改性等傳統(tǒng)步驟，工藝過(guò)程大為簡(jiǎn)化（圖 1）。

圖1氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料制備工藝流程

氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫、高強(qiáng)韌特性。在空氣氣氛下，采用纖維密度為0.20-0.35g/cm3制備的復(fù)合材料經(jīng)1200～1500℃熱處理2h后，均未發(fā)生變形和開(kāi)裂現(xiàn)象，且1500℃熱處理后材料厚度收縮率最低可達(dá)0.9%（圖2）；低密度（<0.4g/cm3）的復(fù)合材料還具有良好的高強(qiáng)韌性能，材料壓縮應(yīng)力高達(dá)0.31MPa（10%應(yīng)變），彎曲強(qiáng)度達(dá)到0.82MPa，經(jīng)重量為1.28噸的汽車(chē)碾壓后，仍保持完好（圖 3）。

圖2氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料的耐溫性能：經(jīng)高溫處理（2h）后的外觀：(a)1200℃、(b) 1300℃、(c) 1400℃和(d) 1500℃（纖維密度分別為0.15、0.20、0.25、0.30、0.35g/cm3）；高溫處理后材料厚度收縮率隨(e)纖維密度和(f)處理溫度的變化

圖3氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料的力學(xué)性能：(a)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線、(b)彎曲應(yīng)力-位移曲線、(c)拉伸應(yīng)力-位移曲線；經(jīng)(d)壓縮、(e)彎曲和(f)拉伸強(qiáng)度測(cè)試前、后的外觀；(g)壓縮、彎曲和拉伸強(qiáng)度隨纖維密度的變化；(h)汽車(chē)碾壓試驗(yàn)

進(jìn)一步的室溫和高溫?zé)釋?dǎo)率測(cè)試結(jié)果表明（圖4），氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料在室溫～1200℃時(shí)的熱導(dǎo)率顯著低于同類(lèi)材料，1200℃時(shí)最低達(dá)到0.082W/(m·K)，比同類(lèi)材料最低值還優(yōu)25%。這是因?yàn)榻榭捉Y(jié)構(gòu)的氧化鋁–氧化硅氣凝膠能夠有效抑制氣態(tài)熱傳導(dǎo)，莫來(lái)石纖維能夠顯著遮擋高溫紅外輻射，兩者的協(xié)同作用賦予材料極低的熱導(dǎo)率。

圖4氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率：(a)常溫?zé)釋?dǎo)率隨纖維密度的變化；(b)常溫?zé)釋?dǎo)率隨空氣壓力的變化；高溫?zé)釋?dǎo)率隨(c)溫度和(d)纖維密度的變化；(e)復(fù)合材料的傳熱機(jī)制；(f)復(fù)合材料熱導(dǎo)率與同類(lèi)材料的對(duì)比

氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的高溫隔熱性能，經(jīng)1500℃單面加熱15min后，外觀和尺寸幾乎無(wú)變化，材料中的氣凝膠仍然保持介孔結(jié)構(gòu)和片葉狀形貌，化學(xué)組成亦變化很小；厚度為18mm的材料熱面和冷面溫度差高達(dá)1120℃（圖5）。該材料適用于1500℃有氧環(huán)境下高溫隔熱保溫領(lǐng)域應(yīng)用。

圖5 石英燈單面加熱試驗(yàn)：加熱后材料的(a)宏觀形貌和材料(b)冷面、（c）熱面位置的微觀形貌；材料冷面、熱面位置的(d)X射線衍射圖譜和(e)紅外吸收光譜；(f)熱面溫度和冷面溫升曲線（冷面的實(shí)時(shí)溫度和初始溫度的差值）