近期，我室报告了一种耐极端环境的热响应高温可陶瓷化气凝胶，其特点是在正常环境下具有与普通聚合物材料一样的优异的力学性能与可加工性能，在高温下可发生陶瓷化反应转变生成高强度的陶瓷结构，维持高温下材料的多孔结构不坍塌，具有优异的阻燃性、耐极端热环境性与高温隔热性。相关研究成果发表在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上，第一作者为本室硕士研究生林鑫岑，通讯作者为王玉忠教授与赵海波教授。
【研究背景】
在极端热环境中，高效的隔热材料对保护人员和财产起着至关重要，在此条件下，材料不仅需要耐热性和隔热性，还需要足够的强度和稳定性来抵抗冲击和热负荷。气凝胶作为一种新型的隔热材料，具有低密度、高孔隙率、低导热等优点在该领域得到了广泛的应用。然而传统的无机气凝胶表现出较大的脆性，力学性能较好的有机聚合物气凝胶易燃，耐高温性能差，同时这两种气凝胶在高温下力学性能都会严重恶化，一旦遇到外力的冲击时，结构容易坍塌，丧失隔热性能。因此，开发一种具有普通条件下优异力学性能，以及高温下高强度与高温隔热性能的气凝胶仍然是极端热环境隔热材料领域一个巨大的挑战。
【主要内容】
近年来，报道的可陶瓷化聚合物材料在室温下具有普通聚合物的性质，经过高温可发生陶瓷化反应迅速转变生成高强的陶瓷结构，该结构有效地抵抗热冲击，起到保护作用。受此启发，我们通过将可陶瓷化技术与气凝胶相结合提出一种高温可陶瓷化气凝胶的制备。以明胶和聚有机硅氧烷构建气凝胶基材，在此基础上引入陶瓷化填料（MMT/mica与APP/ZB）制备得到可陶瓷化气凝胶（GT-mM-AZn），利用填料与基材间的氢键作用以及基材间的化学交联构筑气凝胶的化学/物理双交联网络（图1、图2）。该气凝胶在普通环境中具有优异的力学性能和可加工性（图2），当暴露于高温环境时，发生陶瓷化反应形成陶瓷体结构，材料的强度显著提升。同时，气凝胶能在长时间的高温环境中保持原有的形状和微观多孔结构（图3）。这种独特的热响应陶瓷化能力赋予气凝胶优异的耐火性、高温下的高强度与高温热绝缘性（图5）。这项新工作为开发用于极端热环境下的高效、高强度的热防护气凝胶提供了新的思路和策略。
图1 GT-Mm-AZn气凝胶的制备及陶瓷化转变示意图
图2 气凝胶的结构表征及力学性能
图3 GT-Mm-AZn气凝胶在不同温度下陶瓷化产物的力学性能与高温处理后的形貌
图5 GT-Mm-AZn气凝胶的阻燃性、耐火性以及高温隔热性能
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202214913
