編輯推薦：目前氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱復合材料制備工藝較為復雜，高溫熱導率偏高，最高使用溫度不超過1300℃。本文通過簡化的工藝，制備出了一種使用溫度可達1500℃的高強韌低熱導氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱復合材料，是耐高溫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、耐高溫、低熱導特性使其在高溫隔熱保溫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于脆性大、高溫熱導率較高、制備工藝復雜。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溫隔熱性能。然而，目前報道的氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱復合材料制備過程包括溶劑置換、凝膠改性、纖維清洗或多孔骨架制備等諸多步驟，制備工藝仍較為復雜；同時，材料高溫熱導率仍然偏高，且最高使用溫度不超過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）和超臨界干燥（SCFD）策略，開發出新型耐1500℃高強韌低熱導氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱復合材料。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。

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/纖維復合體，然后經超臨界干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，制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–氧化硅氣凝膠隔熱復合材料制備工藝流程

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

圖2氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復合材料的耐溫性能：經高溫處理（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、后的外觀；(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

進一步的室溫和高溫熱導率測試結果表明（圖4），氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復合材料在室溫～1200℃時的熱導率顯著低于同類材料，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溫紅外輻射，兩者的協同作用賦予材料極低的熱導率。

圖4氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復合材料的熱導率：(a)常溫熱導率隨纖維密度的變化；(b)常溫熱導率隨空氣壓力的變化；高溫熱導率隨(c)溫度和(d)纖維密度的變化；(e)復合材料的傳熱機制；(f)復合材料熱導率與同類材料的對比

氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復合材料表現出了優異的高溫隔熱性能，經1500℃單面加熱15min后，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的材料熱面和冷面溫度差高達1120℃（圖5）。該材料適用于1500℃有氧環境下高溫隔熱保溫領域應用。

圖5 石英燈單面加熱試驗：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（冷面的實時溫度和初始溫度的差值）