新型陶瓷气凝胶：98.0%的太阳光反射率、98.4%的红外发射率

上海交通大学黄兴溢教授团队开发出一种柔性、超低密度的HfO₂-ZrO₂-SiO₂（HZS）陶瓷气凝胶。相关论文以“Mechanically Robust Ceramic Aerogels for Radiative Cooling and Thermal Insulation”为题，发表在Advanced Materials上。

全球约一半的能源消耗用于建筑、交通工具和工业设施的冷却与供暖，这不仅加剧了能源危机，也带来了温室效应等环境问题。在航空航天、深空探测等领域，飞行器或月球车面临从-196°C到1300°C以上的剧烈温差，同时还需承受振动、冲击等力学考验。现有的辐射制冷材料虽能在高温下通过反射太阳光和外太空辐射散热实现被动降温，但在寒冷环境中易导致“过冷”，增加加热能耗；而传统隔热材料又缺乏足够的力学强度与宽温域稳定性。如何实现全天候、低能耗、无需外部刺激的热管理，同时兼顾机械鲁棒性，是当前材料科学面临的重大挑战。

针对上述难题，上海交通大学黄兴溢教授团队开发出一种柔性、超低密度的HfO₂-ZrO₂-SiO₂（HZS）陶瓷气凝胶。该材料通过改进的静电纺丝工艺制备，在密度为2.58 mg/cm³时，实现了高达98.0%的太阳光反射率和98.4%的红外发射率，可在白天进行高效辐射制冷；同时其热导率低至24.7 mW/(m·K)，能够提供24小时持续隔热。

在力学性能方面，基于密度为7.50 mg/cm³的样品，该气凝胶展现出245 kPa的拉伸强度、1.47 MPa的压缩强度和182 kPa的弯曲强度，并可在-196°C至1300°C的超宽温域内保持稳定。在模拟月球环境的实验中，HZS气凝胶白天可实现低于热环境约50.0°C的冷却效果，夜间则能保持高于环境温度约37.5°C的保温性能。仿真模拟结果显示，在-183°C的极端低温下该材料仍能将电子设备维持在-16.7°C以上，为航天热管理提供了全新的材料解决方案。

一、创新工艺构筑多级增强结构

研究团队对传统静电纺丝工艺进行了关键改进：将整个纺丝设备的内腔接地作为新型收集器，取代传统的滚筒或网式收集器，大幅增加了收集空间。同时，通过增加针头数量、提高纺丝速率并延长接收距离，削弱了电场强度对纤维的拉伸作用，从而制得直径达1–2微米的大直径纤维。这种大直径纤维是提升陶瓷气凝胶力学性能的关键，因为单根纤维的直径从根本上决定了整体结构的承载能力。

此外，扩大的收集空间和较低的拉伸力为纤维的随机缠结和溶剂充分蒸发提供了充足的时间和空间，最终形成密度低至2.58 mg/cm³的蓬松三维网络结构（图1b）。扫描电子显微镜图像（图1c）显示，HZS气凝胶由卷曲缠绕的纳米纤维相互搭接而成，纤维间形成了大量接触节点，显著增强了结构的整体完整性。能谱分析（图1d）表明Hf、Zr、Si和O元素在单根纤维中均匀分布，X射线光电子能谱（图1f）进一步证实了HfO₂的形成。

透射电镜及选区电子衍射（图1e）揭示了纤维由非晶区和大量纳米晶粒共同构成。拉曼和X射线衍射分析（图1g、h）确认了在低煅烧温度下四方相ZrO₂占主导地位——具体而言，在700°C和900°C煅烧时以四方相为主，这是由于晶粒尺寸小于临界尺寸且被SiO₂基体包裹抑制了相变体积膨胀；当温度升至1200°C时，单斜相成为ZrO₂的主要晶型。研究团队经过系统筛选，确定900°C为最佳煅烧温度——该温度既能确保无定形碳杂质完全氧化释放（700°C煅烧后残留碳使样品呈灰白色，超过800°C后碳被完全去除得到纯白色气凝胶），又能维持小晶粒尺寸和高含量四方相ZrO₂，从而获得最优力学性能。

^{图1：HZS的设计、制备与表征。（a）静电纺丝制备HZS陶瓷纳米纤维气凝胶的示意图。（b）HZS样品置于花朵上的光学照片。（c）HZS的扫描电镜图像，显示随机交织的卷曲纤维结构。（d）单根HZS纳米纤维的扫描透射电镜能谱分析。（e）HZS纳米纤维的高分辨透射电镜图像。（f）HZS和ZrO₂·SiO₂的X射线光电子能谱。（g）不同煅烧温度下HZS的拉曼光谱和（h）X射线衍射图谱。峰强度的增加表明结晶度逐步增强。（g）中的虚线说明了随煅烧温度升高从t-ZrO₂向m-ZrO₂的逐渐相变，（h）中的虚线则对应从c-HfO₂向m-HfO₂的转变。}

二、优异力学性能源自多尺度协同

HZS陶瓷气凝胶在拉伸过程中表现出从线性到非线性的变形行为，直至断裂时拉伸强度达245 kPa，断裂伸长率达94%，优于大多数已报道的陶瓷气凝胶（图2a、b）。基于8次独立测量的统计结果显示，拉伸强度为257.1±28.96 kPa，进一步验证了材料的可靠性。这一优异性能源于大直径纤维赋予的整体柔韧性和强度，同时非晶SiO₂-晶态HfO₂/ZrO₂双相结构提高了纤维韧性，HfO₂-ZrO₂多元晶粒细化了晶粒尺寸，抑制了位错运动并促进了应力分散。在循环拉伸-恢复测试中，该气凝胶可在20%应变下承受1000次拉伸循环，仍保持81%的初始力学强度（图2c），展现出优异的抗疲劳性能。三点弯曲测试显示，在90%变形下弯曲强度达182 kPa（图2d），统计均值为186.7±17.71 kPa，并且在80%应变下经过1000次弯曲-恢复循环后仍保持90%的原始强度（图2e）。

压缩测试中，HZS气凝胶最大压缩应变达90%，最大压缩应力达1.47 MPa（图2f、g），统计均值为1.722±0.3175 MPa，这得益于其交织的纤维网络结构、大直径纤维以及四方相ZrO₂在应力诱导下向单斜相转变时吸收能量、抑制裂纹扩展的相变增韧机制。动态力学分析表明，在-150°C至500°C的宽温度范围内，储能模量随频率增加保持稳定（图2h），展现了出色的热机械稳定性。为模拟航天器在运行中承受的高频振动，研究团队对气凝胶进行了30,000次沿z轴的2%拉伸振动循环，储能模量、损耗模量和阻尼比均保持稳定（图2i），证明了其在极端循环载荷下的优异疲劳耐受性。

^{图2：力学性能。（a）拉伸应力-应变曲线。（b）HZS与已报道陶瓷气凝胶的拉伸强度和断裂伸长率对比。（c）20%应变下1000次循环拉伸-恢复测试。（d）弯曲应力-应变曲线。（e）80%应变下1000次弯曲-恢复循环测试。（f）压缩应力-应变曲线。（g）HZS与已报道陶瓷气凝胶的压缩应变和压缩应力对比。（h）不同温度下储能模量随频率变化。（i）30,000次2%应变拉伸振动循环中储能模量、损耗模量和阻尼比的变化。}

三、超宽温域隔热与热稳定性能

HZS气凝胶的超低热导率源于多级隔热机制的协同：超低密度和卷曲纤维结构通过曲折的热传导路径有效抑制了固态传导；多层堆叠结构减少了气态传导，多重反射和逐级空气屏障抑制了对流和辐射传热；而在纳米尺度上，晶态与非晶态之间的声子界面进一步降低了固态热传导。热重分析显示，在空气中从室温加热至1500°C时，HZS质量损失仅为1%（图3b），这得益于HfO₂（熔点2758°C）和ZrO₂（熔点2700°C）的超高熔点及全陶瓷组分。密度为2.58 mg/cm³时，室温热导率仅24.7 mW/(m·K)。

值得注意的是，即使密度提高五倍，孔隙率有所降低，热导率也仅微弱增加至25.8 mW/(m·K)（图3c），说明该材料的隔热性能对密度变化不敏感，具有良好的工程容错性。在-60°C低温下热导率低至19.9 mW/(m·K)，而在250°C时因辐射传热增强热导率升至44.0 mW/(m·K)（图3d），仍保持优异的隔热性能。研究团队将HZS气凝胶置于超过1300°C的丁烷火焰上，同时在50%压缩应变下循环加载，未观察到形态变化或力学退化（图3e），火焰灼烧10分钟后5毫米厚的样品背面温度仅分别升至121.9°C和144.2°C（图3f），展现了卓越的耐火性和高温耐受性。在液氮（-196°C）中反复进行80%应变的压缩循环后，样品仍能基本恢复原始状态而无结构坍塌（图3e），证明了其在深空低温环境下的可靠性。

^{图3：HZS的热稳定性和隔热性能。（a）HZS陶瓷气凝胶的热传导机制。（b）HZS在空气中的热重分析。（c）热导率（蓝色球体）和热膨胀系数（红色星号）随密度的变化。（d）热导率和热膨胀系数随温度的变化。（e）HZS经丁烷喷灯灼烧和液氮浸泡后仍可压缩的照片。（f）HZS经丁烷喷灯灼烧10分钟后的光学和红外图像。（g）HZS陶瓷气凝胶大尺寸前驱体的光学照片。}

四、模拟月球环境验证全天候热管理能力

针对月球昼夜温差极大、单次昼夜循环长达27个地球日的极端环境，研究团队系统评估了HZS气凝胶的实际应用潜力。HZS气凝胶在全太阳光谱（0.3–2.5 µm）范围内展现出98.0%的超高反射率，并在大气窗口（8–13 µm）具有98.4%的发射率，在中红外波段（2.5–17 µm）平均发射率达93.5%（图4c），综合性能优于已报道的大多数冷却气凝胶（图4d）。这一优异光学性能源于HfO₂和ZrO₂的高折射率（n>2）和低紫外吸收、SiO₂在9 µm处及HfO₂在13 µm处的声子极化子共振增强红外发射，以及多孔纤维结构对光子的宽谱散射。在模拟月球白天的真空热实验中，将环境加热至约127°C并用氙灯照射，HZS气凝胶达到热平衡后比热环境低约50.0°C，相比银涂层聚酰亚胺（PI-Ag）多降温16°C（图4f）。

在模拟月球夜晚的极低温实验中，通过液氮将密封泡沫腔体降温至-173°C，HZS气凝胶使内部温度保持在比环境高约37.5°C的水平，比PI-Ag高出约20°C（图4h）。基于COMSOL多物理场软件进行的81个地球日（相当于3个月球日）的长期仿真结果表明，PI-Ag从第4天起设备舱温度即超过环境温度并丧失冷却效果，而HZS气凝胶在整个月球白天始终保持设备舱温度低于环境水平，持续提供冷却；在月夜阶段，HZS的降温速率显著慢于PI-Ag，即使在环境温度低至-183°C时，仍能将设备温度维持在-16.7°C以上，满足理论要求的-20°C工作下限（图4i），展现出延长月球车工作寿命的巨大潜力。

^{图4：HfO₂-ZrO₂-SiO₂（HZS）陶瓷气凝胶的航天应用。（a）月球车在月球环境中所面临的热环境和极端条件示意图。（b）搭载HZS的月球车照片。（c）HZS的太阳反射光谱（左轴，断点前）和中红外发射光谱（右轴，断点后）。（d）HZS与其他冷却气凝胶的综合性能对比。（e）模拟月球白天冷却性能测试的真空装置示意图。（f）HZS、银涂层聚酰亚胺（PI-Ag）及环境在月球白天模拟中的温度变化。（g）模拟月球夜晚冷却性能测试的真空装置示意图。（h）夜间各材料的温度变化。（i）真实月球条件下材料的温度仿真结果。}

五、展望：开启极端环境热管理新范式

该研究通过改进静电纺丝工艺和精心的材料-结构协同设计，成功制备了兼具超高辐射冷却性能、超低热导率和优异力学鲁棒性的HZS陶瓷气凝胶，其超宽工作温域（-196°C至1300°C）和全陶瓷组分带来的耐候性使其在航空航天、深空探测和高精密仪器等领域具有广阔的应用前景。研究团队同时指出，在实际月球环境中，太阳风和月尘可能影响陶瓷气凝胶的光学性能，为维持长期辐射冷却效果，未来需要集成保护涂层或静电除尘等防护策略。这一工作为开发低能耗、全天候热管理材料提供了全新的设计思路，有望推动下一代航天热防护系统的技术革新。