双硅源策略结合硅溶胶沉积改性制备高热稳定性超低导热Al2O3-SiO2气凝胶/莫来石纤维复合材料

【编辑推荐】 为突破传统铝硅基复合材料在高温下的结构不稳定性和导热瓶颈，研究人员通过双硅源（TEOS/大粒径硅溶胶）策略结合硅溶胶沉积改性，成功制备了SS-ASA/MF复合材料。该材料在1200°C下比表面积达143 m2/g，1000°C时导热系数仅0.071 W·m-1·K-1，且无宏观收缩，为航天热防护系统与工业窑炉提供了革新性解决方案。

　　

研究背景

在航天器重返大气层或工业窑炉等极端高温环境中，传统隔热材料如纯SiO₂气凝胶易在600°C以上发生结构坍塌，而Al₂O₃气凝胶虽耐高温却存在脆性大、比表面积低的缺陷。如何兼顾轻量化、超低导热与高温稳定性，成为材料领域的“圣杯”难题。山东某研究团队独辟蹊径，提出“双硅源+硅溶胶沉积”协同策略，相关成果发表于《Journal of Non-Crystalline Solids》。

关键技术

研究采用溶胶-凝胶法（sol-gel），以AlCl₃·6H₂O和TEOS为前驱体，引入20 nm粒径硅溶胶（SS）构建双硅源体系，通过溶剂置换实现硅溶胶在气凝胶骨架的沉积改性，最终与莫来石纤维（MF）复合制备SS-ASA/MF材料。

研究结果

微观结构调控：双硅源策略使凝胶网络粗化，SS沉积诱导Al-O-Si键重构，有效抑制1200°C高温下的粘性流动（viscous flow），比表面积较传统ASA提升40%。
热性能突破：SS-ASA/MF在1000°C热源下冷端温度仅98.96°C，导热系数0.071 W·m^-1·K^-1，1300°C热处理2小时后厚度收缩率仅1.5%。
原位莫来石化：硅溶胶老化促进Al-O-Si键重组，加速莫来石相（3Al₂O₃·2SiO₂）成核，结晶活化能提升至1019.24 kJ/mol。

结论与意义

该研究通过“粒子尺寸效应”与“键合重构”双轨机制，首次实现气凝胶材料在1200°C级高温下的“零收缩”突破。SS-ASA/MF复合材料兼具超轻密度（0.35 g/cm³）与“热盾”级隔热性能，为新一代航天器热防护系统（TPS）和特种工业窑炉衬里提供了材料范式。团队提出的硅溶胶沉积改性路径，为多元氧化物气凝胶的定向设计开辟了新思路。