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編輯推薦：目前氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱複合材料製備工藝較為複雜，高温熱導率偏高，最高使用温度不超過1300℃。本文通過簡化的工藝，製備出了一種使用温度可達1500℃的高強韌低熱導氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱複合材料，是耐高温氣凝膠隔熱材料研究領域的重大突破。
氧化鋁-氧化硅氣凝膠的低密度、耐高温、低熱導特性使其在高温隔熱保温領域具有廣闊的應用前景，阻礙其發展和應用的主要瓶頸在於脆性大、高温熱導率較高、製備工藝複雜。2008年以來，研究人員以陶瓷纖維（石英纖維、莫來石纖維、氧化鋯纖維等）或硼酸鋁晶須與氧化鋁-氧化硅氣凝膠進行復合，顯著提高了氣凝膠的力學性能和高温隔熱性能。然而，目前報導的氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱複合材料製備過程包括溶劑置換、凝膠改性、纖維清洗或多孔骨架製備等諸多步驟，製備工藝仍較為複雜；同時，材料高温熱導率仍然偏高，且最高使用温度不超過1300℃。
為此，國防科技大學馮堅團隊提出了一種簡便的溶膠-浸漬-凝膠（SIG）和超臨界乾燥（SCFD）策略，開發出新型耐1500℃高強韌低熱導氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱複合材料。相關論文以題為“Thermally insulating, fiber-reinforced alumina–silica aerogel composites with ultra-low shrinkage up to 1500 °C”發表在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研究員為論文的共同通訊作者。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128402
該團隊以氧化鋁–氧化硅溶膠直接浸漬莫來石纖維形成凝膠/纖維複合體，然後經超臨界乾燥和熱處理獲得了耐1500℃高強韌低熱導氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱材料，製備過程摒棄了溶劑置換、凝膠改性等傳統步驟，工藝過程大為簡化（圖 1）。
圖1氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱複合材料製備工藝流程
氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱複合材料表現出優異的耐高温、高強韌特性。在空氣氣氛下，採用纖維密度為0.20-0.35g/cm3製備的複合材料經1200～1500℃熱處理2h後，均未發生變形和開裂現象，且1500℃熱處理後材料厚度收縮率最低可達0.9%（圖2）；低密度（經重量為1.28噸的汽車碾壓後，仍保持完好（圖 3）。
圖2氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱複合材料的耐温性能：經高温處理（2h）後的外觀：(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）；高温處理後材料厚度收縮率隨(e)纖維密度和(f)處理温度的變化
圖3氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱複合材料的力學性能：(a)壓縮應力-應變曲線、(b)彎曲應力-位移曲線、(c)拉伸應力-位移曲線；經(d)壓縮、(e)彎曲和(f)拉伸強度測試前、後的外觀；(g)壓縮、彎曲和拉伸強度隨纖維密度的變化；(h)汽車碾壓試驗
進一步的室温和高温熱導率測試結果表明（圖4），氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱複合材料在室温～1200℃時的熱導率顯著低於同類材料，1200℃時最低達到0.082W/(m·K)，比同類材料最低值還優25%。這是因為介孔結構的氧化鋁–氧化硅氣凝膠能夠有效抑制氣態熱傳導，莫來石纖維能夠顯著遮擋高温紅外輻射，兩者的協同作用賦予材料極低的熱導率。
圖4氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱複合材料的熱導率：(a)常温熱導率隨纖維密度的變化；(b)常温熱導率隨空氣壓力的變化；高温熱導率隨(c)温度和(d)纖維密度的變化；(e)複合材料的傳熱機制；(f)複合材料熱導率與同類材料的對比
氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱複合材料表現出了優異的高温隔熱性能，經1500℃單面加熱15min後，外觀和尺寸幾乎無變化，材料中的氣凝膠仍然保持介孔結構和片葉狀形貌，化學組成亦變化很小；厚度為18mm的材料熱面和冷麪温度差高達1120℃（圖5）。該材料適用於1500℃有氧環境下高温隔熱保温領域應用。
圖5 石英燈單面加熱試驗：加熱後材料的(a)宏觀形貌和材料(b)冷麪、（c）熱面位置的微觀形貌；材料冷麪、熱面位置的(d)X射線衍射圖譜和(e)紅外吸收光譜；(f)熱面温度和冷麪温升曲線（冷麪的實時温度和初始温度的差值）
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