近日，同濟大學物理科學與工程學院王曉棟副教授和沈軍教授團隊聯合瑞士聯邦材料科學與技術研究所（EMPA）趙善宇研究員，通過聚合物微模板法，調控了金屬氧化物氣凝膠的納米基元結構，大大提升了其力學性能和耐高溫性能，有望使氣凝膠在航天飛行器和動力電池領域的應用再上一個臺階。相關研究成果以“Strong and Ultrahigh Temperature-Resistant Metal Oxide Nanobelt Aerogels”為題在線發表于國際知名期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202414592

開發在高溫環境下能保持結構完整性和優異隔熱性能的熱絕緣材料，對航天飛行器和動力電池等的隔熱保溫和熱防護具有重要意義。金屬氧化物氣凝膠具有高比表面積、低密度、優異的熱學、化學穩定性和功能多樣性，是一種理想的高溫隔熱和催化劑載體材料。然而，受納米顆粒組裝的多孔結構的影響，傳統的金屬氧化物氣凝膠一般呈現脆性，可壓縮性差，高溫下易發生燒結相變而導致熱收縮。這些缺點使得金屬氧化物氣凝膠極易在外力作用下碎裂，并在高溫下燒結或粉化，極大地限制了其在高溫條件下的實際應用。因此，設計調控金屬氧化物氣凝膠的納米基元結構，克服其骨架結構脆性的同時提升其耐高溫性能，是金屬氧化物氣凝膠在高溫下服役的關鍵。

受聚合物氣凝膠優異力學性能的啟發，本工作采用聚合物微模板化策略，通過聚酰氨酸鹽和金屬鹽前驅體的共凝膠反應，將納米顆粒組裝的項鏈狀基元結構轉變為類聚合物狀的納米帶結構，經超臨界干燥和煅燒去模板，獲得了Al2O3、Cr2O3和Fe2O3等金屬氧化物納米帶（MNB）氣凝膠。聚酰胺酸鹽分子鏈和溶劑化金屬離子之間的氫鍵相互作用，使得金屬氧化物的初級膠體粒子纏繞聚酰胺酸分子鏈生長，最終以一維納米帶形式排列。經乙醇超臨界干燥和600°C煅燒去模板后，納米帶結構仍然完好無損。這一穩定的微結構也說明MNB氣凝膠具備高溫服役的潛質。

這種一維納米帶基元結構的構筑，避免了納米顆粒組裝的基元結構中的顆粒間節點的形成，減少了應力集中點的同時抑制了高溫下的傳質和相變，MNB氣凝膠因此表現出優異的力學性能和耐高溫性能。Al-MNB氣凝膠能夠承受高達80%的壓縮而不碎裂，而傳統納米顆粒組裝的氧化鋁氣凝膠僅能承受4%的壓縮。此外，Al-MNB氣凝膠在高溫實驗中表現出優異的耐火性和高溫隔熱性能，1300°C熱處理2小時后仍能保持228m2/g的高比表面積，丁烷噴槍火焰灼燒300s后平均背溫僅為68.6°C。

該研究工作首次通過聚合物微模板方法，合成了以納米帶為基元結構的金屬氧化物氣凝膠，為設計高性能、輕質、高強度的高溫隔熱材料開辟了新的思路。這種納米帶結構賦予了金屬氧化物氣凝膠優異的力學性能和超高溫隔熱性能，在航天飛行器熱管理和動力電池熱失控防護等極端環境中的應用潛力巨大。

同濟大學物理科學與工程學院王曉棟副教授、沈軍教授和瑞士EMPA趙善宇研究員為論文共同通訊作者，王逸君博士生、張澤博士為論文共同第一作者。