真枪实弹！以身试材料，1300度随便烧！哈工大，史上最硬核《Nature》！

哈尔滨工业大学李惠教授、徐翔教授与加州大学洛杉矶分校段镶锋教授等人研发出多尺度设计的亚晶锆石纳米纤维气凝胶，在高温下展现出优异的热机械稳定性和超低热导率，相关成果发表于《Nature》。具体介绍如下：研究背景极端条件下的隔热，如复杂机械载荷和深空及深层地球环境中的大热梯度，需要可靠的结构稳定性和卓越的隔热能力。陶瓷气凝胶虽具有超强隔热能力，导热系数低于静止空气，但因其固有脆性，在较大机械应力或热冲击下会出现强度下降和结构崩溃，损害隔热性能，甚至导致灾难性故障。迄今研究表明，通过精细结构工程可显著增强陶瓷气凝胶机械性能，如一维纤维构成的陶瓷气凝胶能产生压缩弹性、拉伸性和弯曲性，但随机缠绕结构和纤维错位使其弹性可压缩性有限且结构退化。专门设计的泊松比结构可提高性能指标，接近零的泊松比能最小化或消除纵向变形引起的过度应力，实现接近零的横向应变，提供最佳机械柔性。热稳定性是极端条件下隔热陶瓷气凝胶的另一关键因素，陶瓷气凝胶通常热稳定性弱，通过调整元素组成或晶体结构可改善结晶抑制和抗氧化性，但与机械性能和结构几何配置结合时，热膨胀行为难以调节。受负热膨胀系数策略启发，具有接近零热膨胀系数的陶瓷气凝胶可消除不匹配的组件应变并抑制热机械应力，确保优异热稳定性。极端条件下可靠隔热要求材料在很宽温度范围内具有机械柔性、高热稳定性和低热导率的特殊组合，但大多数陶瓷气凝胶的关键材料参数存在内在相互权衡，如超低密度利于抑制固体传导实现超低热导率，但会增加热辐射热传递，导致高温下热导率更高，减少热辐射热传递的策略又存在碳高温热蚀刻、二氧化钛软化降低结构稳定性等问题，实现优异高温隔热性能同时保持稳健热机械稳定性是一大挑战。研究成果极端条件下的隔热要求材料能承受复杂热机械应力，并在超过1000摄氏度温度下保持出色隔热性能。陶瓷气凝胶虽有吸引力，但在非常高温度下通常表现出显著增加的导热性和有限的热机械稳定性，可能导致灾难性故障。哈尔滨工业大学李惠教授、徐翔教授和加州大学洛杉矶分校段镶锋教授等人报道了一种多尺度设计的亚晶锆石纳米纤维气凝胶，它具有之字形结构，在高温下具有优异的热机械稳定性和超低热导率。气凝胶显示出接近零的泊松比（3.3×10 - 4）和接近零的热膨胀系数（1.2×10 - 7每摄氏度），确保了优异的结构灵活性和热机械性能。表现出高的热稳定性，在剧烈热冲击后强度下降极低（不到1%），工作温度高（高达1300摄氏度）。通过故意将残余碳物种截留在构成亚晶锆石纤维中，大大减少了热辐射热传递，并实现了迄今为止陶瓷气凝胶中最低的高温热导率之一——1000摄氏度时每开尔文每米104毫瓦。热稳定性和热绝缘性能的结合为极端条件下的坚固热绝缘提供了一个有吸引力的材料系统。相关研究工作以“Hypocrystalline ceramic aerogels for thermal insulation at extreme conditions”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。图文速递亚晶陶瓷纳米纤维气凝胶的多尺度设计：极端条件下的隔热要求陶瓷能够承受复杂的机械载荷以及剧烈的热冲击。典型的结晶陶瓷因其较弱的位错和晶界滑动和软化效应而表现出固有的脆性。通过触发剪切带，非晶陶瓷可显示出改善的变形能力，但通常存在剪切应变局部化问题，并且在高温下容易结晶。为了解决这些挑战，作者设计了一种亚晶（嵌入在非晶基体中的纳米晶体）陶瓷，其中非晶基体作为晶界来阻止纳米晶畴的滑动，纳米晶畴作为钉书钉来限制非晶基体在高温下的迁移，以实现优异的热机械性能。通过这种亚晶设计，陶瓷纤维在机械和热激励下的变形具有高阶屈曲模式，而不是均匀模式，因此提供了额外的自由度来促进高阶变形模式，将纤维细胞的泊松比和热膨胀系数降低到接近零值。此外，设计良好的架构可以将近零泊松比和近零热膨胀系数从局部单元扩展到全局结构。为此，将次晶纤维进一步组装成之字形结构，以在宏观尺度水平上获得额外的高阶变形模式，从而在宏观陶瓷气凝胶中赋予近零泊松比和近零热膨胀系数。亚晶ZAGs的制备工艺和材料表征：暂无详细制备工艺描述，但可知通过特定设计实现了材料性能的提升。ZAGs力学性能表征：具有之字形结构的多尺度设计的亚晶锆石纳米纤维气凝胶产生了具有接近零的泊松比和接近零的热膨胀系数的热机械超材料，由此产生的材料具有优异的热机械稳定性。ZAGs的热稳定性和隔热性能：作者评估了ZAGs的实际隔热性能。将厚度为1.0厘米的ZAG板直接放在手上，并用丁烷喷灯火焰（约1300℃）加热顶面，加热5分钟后，板底部的温度保持在仅37℃的相对较低的温度，在人体的耐受范围内。作者还测试了ZAGs作为航空发动机燃料管的典型热障，在用丁烷喷灯火焰加热5分钟后，具有商用聚酰亚胺泡沫隔离层和常规二氧化硅纤维气凝胶隔离层的内部燃料管的温度分别增加到267.