化学键合纳米多层无机气凝胶：兼具超柔韧性及真空最低热导率

研究者通过在石墨烯气凝胶骨架原位沉积无定形氮化硼铠装层，实现了气凝胶力学性能与热学性能的协同增强，有望为极端环境下的超隔热需求提供新的解决方案。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），哈尔滨工业大学徐翔教授、张传伟教授与东南大学郝梦龙教授为共同通讯作者。

无机气凝胶由于其独特的性质已成为目前最具吸引力的材料之一，在超隔热领域具有广泛的应用前景，但其力热互斥瓶颈难题阻碍了该材料的进一步发展。如何通过单一策略协同增强无机气凝胶的力热性能、实现物理性能指标性突破是目前面临的主要挑战。

合成制备：在这项研究中，研究者使用原位沉积技术实现了无定形氮化硼在石墨烯骨架上的可控沉积及界面处的化学键合。如下图所示，通过多种表征手段，观察到无定形氮化硼以均匀连续的纳米层形式沉积在石墨烯孔壁上。

（a）样品制备过程示意图；（b）多孔结构扫描电镜图像；（c, d）纳米多层孔壁高倍透射电镜图像；（e）具有月球基地和宇航员形状的样品照片。

力学性能：在轴向压缩过程中孔壁发生弹性屈曲，纳米多层结构实现了弯矩分配的合理优化，赋予了气凝胶在超低密度（0.8 mg cm^-3）下的超弹性（可逆压缩率99%）。均匀连续的无定形氮化硼纳米层通过化学键合点位牢固地钉扎在石墨烯片层两侧，增强了骨架薄弱节点并提高了整体性，使得气凝胶可以承受弯曲、扭转及偏心压缩等复杂变形。

（a）单轴压缩应力应变曲线；（b）弹性变形能力随密度的变化；（c）两点弯曲应力应变曲线；（d）偏心压缩循环；（e）具有花朵形状的样品在手中紧握展开。

热学性能：得益于化学键合纳米多层设计的增强增韧作用，气凝胶在高频剧烈高低温热冲击下几乎未发生体积收缩与结构退化。研究者进一步使用稳态法测试了气凝胶的真空热导率，得益于超低密度、高碳含量及纳米多层结构造成的声子散射加剧，真空中近室温(<100 °C)下气凝胶热导率最低为1.57 mW m^-1K^-1，高温下（~500 °C）最低为10.39 mW m^-1 K^-1，为目前固体材料中的最低值。

（a）高频剧烈高低温热冲击前后单轴压缩应力应变曲线；（b）稳态法真空热导率测试装置；（c）样品及不同材料的真空热导率。

月球基地隔热层应用演示：轻质、柔韧的超隔热材料对于深空地外探索尤为重要，例如月球表面昼夜温差巨大，月球基地的热环境极其恶劣，需要材料具备有效的热管理能力。因此，该超轻、超弹、超隔热的气凝胶在此类环境中极具吸引力。研究者设计并制备了月球基地缩尺模型、搭建装置模拟月球表面昼夜环境，测试该材料在此类应用场景中的隔热性能。并与石墨烯气凝胶、六方氮化硼气凝胶及二氧化硅气凝胶毡进行对比，证明了该材料在极端环境下的优异超隔热性能。

（a）月球基地示意图；（b）高真空月球基地模型实验装置照片；（c）加热过程温度场模拟和热边界示意图；（d）冷却过程温度场模拟和冷边界示意图；（e）样品及对比材料的冷热边界(上部)和内部环境(下部)的瞬态温度曲线。