综述：增强陶瓷纳米纤维气凝胶的机械性能与隔热性能

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Enhancing mechanical property and thermal insulation of ceramic nanofiber aerogels

　　

摘要

陶瓷纤维气凝胶具有超低密度、高孔隙率和低导热系数，是前景广阔的隔热材料。其独特的纤维网络克服了脆性，但力学性能与隔热的协同优化仍然困难。本综述总结了力学性能和隔热增强策略及其潜在机制的研究进展。讨论了通过纤维增强和孔隙结构设计的力学强化，包括纤维类型、增强相和孔隙结构对强度和韧性的影响，并分析了增强机制。考察了通过空心/多孔结构、引入第二相和不透光剂改性进行隔热增强。孔隙结构优化和不透光剂改性可以有效抑制高温辐射，而不会显著增加固体热传导，代表了平衡力学和隔热性能的一个有前途的方向。汇总的数据和分析为新型陶瓷气凝胶的发展提供了基本指导。

引言

陶瓷气凝胶凭借其独特的优势，如超低密度 [1]、大比表面积、高孔隙率 [2] 和低导热系数，在诸多前沿技术领域展现出不可替代的应用潜力。在隔热方面，它们作为航空航天热防护、工业炉及其他场景的理想超级隔热材料 [3]；作为催化框架，其高比表面积和相互连通的孔道提供了丰富的活性位点和高效的质量传输，从而提高了催化效率 [4]；在储能方面，当用作锂离子电池和超级电容器的电极或功能性隔膜时，它们能够实现快速离子传输和稳定的能量存储 [5]。总体而言，陶瓷气凝胶在隔热 [6]、阻燃、催化框架和储能等各个方向上都展现出广阔的应用前景。

从发展历史来看，气凝胶材料的研究可以追溯到 1931 年，当时 Kistler 首次成功制备了 SiO₂ 气凝胶 [[7], [8]]，其中内部纳米颗粒像珍珠项链一样连接在一起，为后续超轻隔热材料的发展奠定了基础 [9]。然而，由于纳米颗粒之间的键合较弱 [10]，传统陶瓷气凝胶通常表现出显著的脆性，严重限制了其在复杂载荷条件下的实际应用 [11]。进入 21 世纪以来，随着静电纺丝和冷冻铸造等技术的进步 [12,13]，研究人员通过用柔性陶瓷纳米纤维的三维网络代替颗粒骨架，开发了陶瓷纤维气凝胶。它们的高长径比和连续的纤维结构显著提高了气凝胶的柔韧性 [14,15]。相互连接的纤维形成的三维网络可以更有效地分散应力和耗散能量，从而提高整体结构的韧性和稳定性 [16,17]。例如，SiC 纳米线气凝胶表现出 5 mg·cm?3 的超低密度、99.8 % 的孔隙率、超过 70 % 的可恢复压缩应变以及 0.026 W·m?1·K?1 的导热系数 [18]。最近的设计，包括预应力拓扑 [19] 和核壳结构 [[20], [21], [22]]，进一步提高了它们的机械性能和耐温性 [23]。陶瓷纤维气凝胶结合了陶瓷的耐高温性和抗氧化性，以及气凝胶的超低密度和高孔隙率 [24]，展现出不可替代的应用潜力 [25]。它们已被广泛应用于超热绝缘、生物医学、油水分离、催化、隔音、传感应用和建筑等众多领域，如图 1 所示 [[26], [27], [28], [29], [30], [31], [32]]。

虽然陶瓷纤维气凝胶在一定程度上克服了传统气凝胶的高脆性，但其强度和耐温性仍有改进空间 [33]，并且在实际应用中继续面临着同时实现令人满意的力学性能和隔热性能的挑战 [34]。在力学性能方面，尽管材料具有良好的韧性，但断裂韧性较低 [35]，无法满足复杂载荷环境的需求。此外，材料的强度和结构稳定性需要进一步增强。在航空航天等领域遇到的剧烈温度变化（热冲击）下，材料容易开裂甚至结构坍塌 [36]。在隔热性能方面，高于 1000 °C 时，烧结可能会使纳米孔网络坍塌，导致隔热性能显著丧失 [37,38]。

同时，陶瓷纳米纤维在高温下会发生晶粒生长，从而变得脆性 [39,40]。因此，力学强度与隔热性能之间难以权衡仍是当前发展的主要瓶颈。因此，研究重点已转向材料成分和结构架构的协同优化，以实现两种性能的同时提升。这促进了多组分复合系统、分级孔隙结构和增强纤维网络等策略的发展。

以往的综述主要关注陶瓷纳米纤维气凝胶的制备策略、热/机械性能和应用。基于当前的研究现状，本文主要关注陶瓷纳米纤维气凝胶的力学性能与隔热性能之间的矛盾。系统地综述了增强陶瓷纳米纤维气凝胶力学性能和隔热性能的方法，此外，还分析了它们的增强机制和隔热机制。在此基础上，总结了陶瓷纤维气凝胶研究中存在的不足，并展望了其未来发展趋势。

章节片段

增强力学性能

目前增强陶瓷纤维气凝胶力学性能的方法主要可分为两类。第一种策略是纤维增强，使用高强度纤维或增强相来增强纤维骨架的承载能力和结构稳定性。第二种是孔隙结构设计，其中典型的形态包括层状和蜂窝状结构。此外，还有一些独特的拓扑设计，例如双网络

隔热机制

多孔材料中的热传递通过热传导、热对流和热辐射发生 [[101], [102], [103]]。然而，由于气凝胶具有纳米级孔隙、高孔隙率和受限的三维孔网络 [104]，气凝胶中的热对流可以忽略不计。因此，陶瓷纤维气凝胶中的热传递主要由气体传导、固体传导和热辐射主导 [105]。以下章节介绍了这三种热传递模式

力学性能与隔热性能的相关性

增强陶瓷纤维气凝胶力学性能和隔热性能的策略并不是独立的。例如，增加密度或引入增强相可以提高压缩强度，但也可能产生额外的固体热传导路径，从而损害隔热性能。相反，增加孔隙率可以有效抑制气体和固体热传导，但它可能会削弱纤维骨架的稳定性并降低压缩和弯曲

用于揭示增强机制的有限元分析

有限元模拟被广泛用于揭示陶瓷纤维气凝胶中的应力分布和结构变形，为理解内部架构与宏观性能之间的关系提供了更直接的认识。例如，Liu 等人 [132] 在有限元模型中将碳管之间的连接点视为弹性单元，发现应变局部化和载荷传递主要发生在互连管连接点处，从而阐明了弹性

结论与展望

尽管取得了 substantial 进展，但仍存在三个基本挑战限制着陶瓷纤维气凝胶的实际应用。首先，对于长期高温暴露下结构降解的机制理解仍然不足。纤维烧结、结晶、晶粒生长和界面演化可能会改变承载网络并产生连续的固体热传导路径，导致力学韧性和

CRediT 作者贡献声明

马小雅： 写作 – 原稿，形式分析。 李福平： 监督，项目管理。 郭梦迪： 数据整理。 孟祥丽： 验证。 党伟： 写作 – 审阅与编辑，资金获取。 赵康： 监督。 唐雨飞： 可视化。

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能被认为影响了本文报告的工作。

致谢

本工作得到了 国家自然科学基金（编号：52404411、52172074 和 51904242）、陕西省教育厅科学研究计划（项目编号 25JC080）、中国博士后科学基金 资助的项目（编号 2023MD734220）、陕西省 2023 年技术创新引导专项资金（2023GXLH-039）以及 碑林区科技项目（GX2439）的资金支持。

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