安徽工业大学吴操、刘明凯等《AFM》：相调控策略-面相苛刻环境应用的多功能陶瓷纤维气凝胶设计新范式

陶瓷纤维气凝胶在极端高温环境下的多功能设计与服役寿命提升至关重要，但受限于纳米陶瓷纤维的脆性、高温诱导晶粒生长，以及多功能优化带来的力学弱点问题严重制约了其轻质、宽温域适用和长寿命服役特点的多功能陶瓷纤维组装体的研制。传统方法常基于不同维度功能组元的引入来提升纤维气凝胶的综合性能，但往往会导致重量增加、成本上升或高温下稳定性不足的问题。因此，如何通过单一纤维的微结构设计与多尺度组装实现综合性能优异的陶瓷纤维气凝胶的集成仍具挑战。

日前， 安徽工业大学 吴操教 授 、 刘明凯教授 及其合作者 提出了一种通过热诱导陶瓷相变与界面演化行为调控硅锆陶瓷纳米纤维构型熵值及热物理性能的策略，结合压力辅助收集技术成功制备了半有序性纤维气凝胶材料，在机械、声学、隔热及微波吸收等方面都展现出优异的性能，解决了传统多功能陶瓷纤维气凝胶功能集成和长时效耐温性能设计之间的互斥问题 。相关工作以“Remarkably Enhance the Stealth/Resistance/Mechanical Properties of Silica-Zirconia Ceramic Aerogel by Phase Transitions and Interface Evolution”发表在《 Advanced Functional Materials 》上。

【多功能陶瓷纤维气凝胶跨尺度结构组装技术】

本工作结合了相调控策略以及优化的纺丝技术，实现了纤维长径比、平均直径离散性、顺排度和超薄层堆叠结构的一体化提升；结合对热驱动因素具有严格依赖性的陶瓷相转变和相增生行为的调控，在气凝胶中的单丝层面形成了热物理与热化学行为的有效干扰，进而在陶瓷纤维气凝胶内部形成了对多尺度结构的精细控制。本文基于恰当的晶体界面和微结构参数的设计，同时实现了对高温下晶粒长大行为的抑制，以及声子传输行为的干扰，促进了其多功能化和极端环境中的服役稳定性。

硅锆纳米纤维气凝胶的多尺度结构设计与性能调控原理

工作系统性地总结了电压、流速、硅含量等参数对纤维细度的影响，发现电压、温度和Si含量对纤维直径调控的关键作用，并建立了可纺性工艺窗口区间。结合热动力学因素分析，揭示了溶剂挥发、泰勒锥演化过程和静电牵伸作用的动态平衡机制，实现了大长径比纤维的稳定性制备。

制备参数优化与成纤行为动态竞争机制

【热诱导硅锆陶瓷纤维的相增生和相转变行为】

工作基于电镜和波普技术分析了热处理技术对硅锆氧化物相结构、组分和缺陷等微结构的调控规律，发现了温度梯度驱动诱导形成的相增生和相转变现象，并基于该现象建立了纤维单丝中构型熵和焓值对温度的依赖性关系模型，阐释了温度驱动多功能化以及高温稳定性的强化原理。

ZS纳米纤维的微观结构与温度诱导转变规律

【陶瓷纤维气凝胶力、热、隐身性能强化机理】

研究表明，多层堆叠和互穿网络结构设计同时赋予了气凝胶材料Z向优异的能量储存和声波反射阻抗单元，实现了材料高压缩强度（335.5 kPa）和回弹性，优于同类材料性能。此外，由于多层结构对声波的多重散射与能量耗散，其吸隔声性能得到协同提升（SAC=0.87, STL=34.8dB）。

互穿网络结构对组装体力声性能跨尺度强化机制

针对多重界面的传热行为模拟表明，材料在高温条件下具有优异的热阻遏能力。通过极寒（-196 ℃）和极热（1300 ℃）环境实验也验证了模拟结果，说明了基于超薄多层结构设计优异的动静态热阻效果，及其巨大的苛刻环境下应用潜力。

苛刻环境下的隔热性能与稳态行为分析

介电常数分析表明，纤维气凝胶高介电损耗源于多相界面极化与晶格缺陷诱导的偶极弛豫行为，保证了阻抗匹配性能的提升。针对其微波吸收特性的分析表明，材料反射损耗峰值达到-27.08 dB，有效吸收带宽5.6 GHz，雷达散射信号强度低，适用于微波隐身领域的应用。

气凝胶微波吸收性能与损耗机制

【总结与展望】

本研究通过热诱导陶瓷相的相变与界面演化行为调控硅锆陶瓷纳米纤维的构型熵值，结合多尺度结构设计，成功实现了轻质、高强、耐高温及多功能集成的陶瓷纤维气凝胶材料的制备，其在航天器热防护、核级工业管道隔热及多频谱隐身等领域都展现出综合性应用潜能，其“多尺度结构-多目标性能”一体化设计策略可为轻质多功能陶瓷材料的开发提供了新的设计思路。