DOI: 10.1126/science.adw5777

本文使(shǐ)用(yòng)的焦耳加熱裝置由合肥原位科技有限公司研發，感謝(xiè)老師支持與認(rèn)可！



焦(jiāo)耳加熱裝置🚼：

焦耳加熱裝置是一種(zhǒng)新型快速熱處理/合成(chéng)的設備，該設備可(kě)使(shǐ)
材料在（毫(háo)秒級(jí)/秒級(jí)）時間(jiān)內(nèi)達(dá)到溫度（1000~3000℃），升溫速率(shuài)
可(kě)達到(dào)10000k/s；通過對(duì)材(cái)料(liào)的快(kuài)速升溫
，可考察材(cái)料(liào)在J端環境，劇烈熱震情況下(xià)的物性改變，可通過(guò)快速升(shēng)降溫製備納米尺度顆粒(lì)🎁
，單原子催化劑
，高熵(shāng)合金等。目(mù)前(qián)廣泛應用在(zài)
電池(chí)材料(liào)
，催化(huà)劑🤨，碳材料，陶瓷材料，金屬(shǔ)材(cái)料，塑料降解，生物質等領域
。



全(quán)文概述(shù)

浙江大學團隊在Science發表重磅研(yán)究，提出二維通道限製(zhì)化學法，成功(gōng)製備出194種穹頂胞狀超輕氣凝膠，涵蓋121種氧化物，38種碳化物和(hé)35種金屬，部分可實現含30種元素的高熵態。這類氣凝膠突破傳統氣凝膠(jiāo)局限，具備從4.2K（液(yè)氦溫區）到2273K（超高溫）的超寬溫(wēn)域超彈性，99% 應變下可循環(huán)2萬次且殘餘(yú)應變＜3%，2273K 熱衝擊100次仍穩定。其中高熵碳化物氣凝膠1273K和2273K時熱導率分別(bié)低至53.4mW・m⁻¹・K⁻¹和(hé) 171.1mW・m⁻¹・K⁻¹
，同(tóng)時可製成大麵積板材（約50×20×0.5cm³）和(hé)連續卷材（＞2m）
，為J端(duān)熱機械領域(yù)（如高溫隔熱
，深空探(tàn)測(cè)）提供全新材(cái)料解(jiě)決方案。

文章亮點

（1）J端溫度彈(dàn)性

：在液氦（4.2 K）至(zhì)2273 K範圍內保持超彈性；

（2）高循環穩定性(xìng)：99%應變下2萬次壓縮後仍(réng)
能恢復；

（3）化學多(duō)
樣性：涵蓋121種氧化物，38種碳化(huà)物，35種金屬，支持高熵設計
；

（4）超低熱導率：高熵碳化(huà)物氣(qì)
凝膠(jiāo)在(zài)2273 K時熱導率僅(jǐn)171.1 mW·m⁻¹·K⁻¹；

（5）結構創新：穹頂胞(bāo)元結構賦予其優異的能量(liáng)吸收和恢復能力
。

圖文解析



圖1：製備流程(chéng)與結構表征

圖(tú)（A）製(zhì)備流程清晰展示三步(bù)核心工藝
🂬，第(dì)一步“離子捕(bǔ)獲"，利用 GO 層間通道（0.97-2.14nm）的螯合作用與二維屏障效應，捕獲單種或多達30種(zhǒng)鹽(yán)離(lí)子(zǐ)，形成原子級均匀的GO-離子雜(zá)化物(wù)；第二步“鼓(gǔ)泡(pào)"
，發泡劑分解產生的氣體在GO層(céng)
間形成穹頂狀胞體，通過調(tiáo)控鼓泡時(shí)間可將胞體平均(jūn)曲率（Ka）調至0.045-0.122μm⁻¹；第三步“熱轉化"，分別(bié)在(zài)空氣 600℃（4h）
，氬氣 2000℃（2h），氫氣 450℃（1h）條件下，將雜化物轉化為(wéi)氧化物，碳化物🏂，金屬氣凝膠🙅，且全程(chéng)保留穹(qióng)頂結構(gòu)。圖（B-C）實物照片分別呈現製(zhì)備的碳化(huà)
物氣凝膠板材和(hé)氧化物氣凝膠卷材，直觀證明材(cái)料可實現宏(hóng)觀尺度製(zhì)備，板(bǎn)材尺寸達約 50×20×0.5cm³，卷(juàn)材長(cháng)度超(chāo)2m，打破(pò)傳統氣凝膠(jiāo)難以規模化生產的瓶頸，凸顯實用價值🖶。圖(tú)（D）3D光(guāng)學圖展示超薄GO薄膜（~500nm厚）鼓泡(pào)形(xíng)
成的(dí)穹頂胞(bāo)體(tǐ)模型，可見穹(qióng)
頂頂點具有(yǒu)兩個正交(jiāo)正高斯曲率，邊緣呈鞍形(xíng)結構
，這種非歐幾裏得曲率(shuài)是穹頂(dǐng)
結構高承載，高彈性的核心(xīn)幾何(hé)基礎
。圖（E-F）SEM 切片圖結(jié)
果顯示(shì)
，通過X-Z，Y-Z（垂直麵）和X-Y（水平麵）三個方向的SEM切片，證實氣凝(níng)膠在宏觀尺度下胞體均為穹(qióng)
頂形態，尺寸(cùn)從幾十到(dào)幾(jī)百微米不等；納米(mǐ)CT逐(zhú)
層掃描進一步顯示(shì)，穹頂(dǐng)胞體在毫米尺度內均匀互聯，無(wú)
縫接觸(chù)的結構確保了材料宏觀(guān)彈性與結構完整性🏄

。

圖2：穹頂胞狀氣凝膠的化學多(duō)樣性及多尺度(dù)結構

圖（A）元素(sù)概覽表係統(tǒng)梳(shū)
理氣凝(níng)膠庫的元(yuán)素(sù)構成🖖，氧化物涵(hán)
蓋 Mg，Al🤇，Si 等(děng)24種元素(sù)，碳(tàn)化物包含(hán)Ti，Cr，Zr 等12種元(yuán)素，金屬涉及Fe，Co
，Ni 等12種(zhǒng)
元素(sù)🧇，且可組合成(chéng)一元，二(èr)元(yuán)
，三(sān)元及高熵體係(xì)（如含10種元(yuán)素的AlTiCrCuZnNdSmDyHfTa氧化物），直觀體現材料化學多樣性
，為功能定製提供廣(guǎng)闊空間🏁。圖（B-E）典型氣(qì)凝膠表征結果顯示
，以一元氧化鋁(lǚ)（Al₂O₃），碳化鉭（TaC），銅（Cu）及高熵(shāng)
氧(yǎng)化物氣凝膠為例，左側(cè)光學照片顯示材料(liào)可輕鬆漂浮在花蕾(lěi)上(shàng)，印證其超(chāo)輕特性；中間(jiān)SEM圖像清晰呈現穹頂胞狀結構
，胞壁厚度(dù)＜10nm，且由納米級晶粒互聯構(gòu)
成
；右側AC-TEM（像(xiàng)差校正透射電鏡）和HAADF（高角環形(xíng)暗場）原子映射(shè)圖(tú)，證實高熵(shāng)
氣凝膠中30種元素實現原子級(jí)均匀混合，解決多元素體(tǐ)係易偏析(xī)
的難題(tí)，為高熵材料性能優(yōu)
化提供結構(gòu)支撐。



圖(tú) 3：穹頂胞狀氣凝(níng)
膠的力學性(xìng)能

圖（A）為室溫循環應(yīng)力-應(yīng)變曲綫：展示(shì)含30% 石墨烯(xī)的氧化物(wù)，碳化物(wù)，金屬氣凝膠(jiāo)堆疊體，在298K（室溫）下99%應(yīng)變循環2萬次的應力-應變曲綫🗭。曲綫(xiàn)
顯(xiǎn)示
，第1次，第200次🥮，第20000次循環的應(yīng)力平台幾乎重合(hé)
，殘餘應變＜3%，應力衰減＜20%
，證明材料具備zhuoyue的室溫抗疲勞性能；密度0.35-1.24mg・cm³ 的超輕氧化物氣凝膠(jiāo)（如Y₂O₃，InSn氧化物）在80%應變下(xià)
循環1萬次，應變衰減＜8%，進一步凸顯其力學(xué)穩定性。圖（B）原位(wèi)SEM壓縮觀察記錄穹頂胞體在(zài)壓縮(suō)過程中的(dí)變形行為
，低應變時胞體整體形變，高應變(biàn)
（80%）時(shí)胞壁產生大量細密褶皺——這種“不可(kě)
展表麵(miàn)"Te有(yǒu)的褶皺效應，可有效儲存(cún)彈性應變(biàn)能🧟，避免胞(bāo)壁間平滑緊(jǐn)密接觸導致的塑性(xìng)變形
，從微觀(guān)層(céng)麵解釋了材料高彈性(xìng)的起源
；對比傳統蜂窩結構氣凝膠（胞壁縱向形(xíng)變(biàn)
後緊密接觸，彈性恢復差），凸顯穹頂結構(gòu)的設計優(yōu)勢。圖(tú)（C）彈性-密度關係圖顯示，將該氣凝膠與(yǔ)已報道氣(qì)凝膠的(dí)“最大(dà)
可恢復應變-表觀密度"數據對(duì)
比🚙，結果顯示🔛，該氣凝膠在密度低至(zhì)0.35mg・cm³時🖶，仍能實現99%的最大可恢復(fù)應變，顯著(zhù)突破(pò)傳統(tǒng)
氣凝膠低密度與高彈性不可兼得的限製，刷新氣(qì)凝(níng)
膠力學性能邊界。圖（D-E）J端溫度循環曲綫結(jié)果顯(xiǎn)示，圖(tú)（D）為碳化物氣凝膠堆疊體在4.2K（液(yè)氦環境）下(xià)99%應變(biàn)循環100次的曲(qū)綫(xiàn)，兩次循環曲綫(xiàn)重合(hé)，無高度(dù)

損失(shī)；圖(tú)（E）為同(tóng)一堆疊(dié)體在2273K下99%應變(biàn)循環100次的曲綫，同(tóng)樣保(bǎo)持優異恢復性，證明材(cái)料(liào)
在極低溫(wēn)到(dào)超高溫(wēn)的(dí)全溫域(yù)內(nèi)均(jūn)穩定(dìng)保持超彈性
，解決石墨烯氣凝膠 2273K下因(yīn)軟化失效的問題。圖（F）火焰中(zhōng)循環曲綫展(zhǎn)示碳化物氣凝(níng)膠在雙側丁烷噴(pēn)燈(dēng)火(huǒ)
焰（超1573K）中(zhōng)🤢
，99%應變循環100次的應力(lì)-應變曲綫，曲(qū)綫重合(hé)度高，插圖照片(piàn)顯示材料在火焰中(zhōng)無明顯燒蝕或坍塌，證(zhèng)實其兼具超(chāo)彈性(xìng)與抗燒蝕性能(néng)，為高溫J端環境應(yīng)用（如航空發(fā)動機(jī)隔熱）提供可能。



圖4
：碳化物氣凝(níng)膠的超高溫隔熱性(xìng)能(néng)

圖（A）為寬溫域(yù)熱導率，測定碳化鉭（TaC）和高熵(shāng)（ZrTaNbTiHf）C氣凝膠在173-2273K的熱導率，結果顯示🕁，高(gāo)熵(shāng)碳化(huà)物氣凝(níng)膠熱導率隨溫度升高緩慢增長，1273K時低至53.4mW・m⁻¹・K⁻¹，2273K時僅171.1mW・m⁻¹・K⁻¹，遠(yuǎn)低於傳統陶瓷氣凝膠；其低(dī)熱(rè)
導源於三(sān)方麵
：超低密度與(yǔ)
納(nà)米晶(jīng)界抑製固體傳熱
，30nm納米孔限製氣體(tǐ)傳熱，二維胞壁拓撲結(jié)構產生的各向異性阻礙橫(héng)向傳熱。圖（B）力(lì)學循環(huán)後熱(rè)導率(shuài)記錄TaC和高熵(shāng)碳化(huà)物氣(qì)凝(níng)
膠在室溫下(xià)99%應變循環1萬次的(dí)熱導率(shuài)變化(huà)，循環前後熱導率幾乎無波(bō)動，證明材料經長期(qī)力(lì)學(xué)疲(pí)
勞後，隔熱(rè)性能仍(réng)
穩定，圖（C）測試 TaC氣凝膠在2273K下100次熱衝(chōng)擊（1773K以下500K/s，1773-2273K為100K/s）後(hòu)的熱導率🚣，結果(guǒ)
顯示熱導(dǎo)
率無明顯變化，SEM和元素映射圖證(zhèng)實(shí)材料(liào)結構(gòu)與成分均保持完整
，說明其具備優(yōu)異的抗熱震性能，可適應J端溫度(dù)波動環境。圖（D）隔熱(rè)演示照(zhào)片(piàn)
展示8mm厚TaC氣凝膠板保護新(xīn)鮮玫瑰抵(dǐ)御丁(dīng)烷噴燈(dēng)
火焰（超1573K）5分鐘的實驗

，左側照片顯示火焰直接灼燒氣(qì)凝膠板背麵
，玫瑰完好無損🃉；右側熱成像(xiàng)圖顯示氣凝膠板(bǎn)背麵溫度遠低於玫瑰耐受溫(wēn)
度，直(zhí)觀驗證(zhèng)材料的高效(xiào)隔熱能力🔰。圖（E）工作溫度-室(shì)溫熱導率對比顯(xiǎn)示(shì)
，將該碳化物氣凝膠與傳(chuán)統(tǒng)隔熱材料（如(rú)氧化鋯(gào)
氣凝膠，碳化矽，石棉(mián)，聚合物泡沫(mò)等）的(dí)“最(zuì)高工作(zuò)溫度-室溫熱導率"對比，結果顯示，該(gāi)氣凝膠在室溫(wēn)
熱導率（20mW・m⁻¹・K⁻¹）遠低於多數材料的同時，最高工作溫度（2273K）遠超現(xiàn)有陶(táo)瓷氣凝膠，實現“低(dī)
導熱"與“高耐溫"的協同。圖（F）為高溫(wēn)
熱導率對比結(jié)果🥐，對比該碳化物氣凝膠與已(yǐ)
報道典型陶瓷材料在1273K和2273K的熱(rè)導率，可見該氣凝膠在(zài)1273K時熱導率＜60mW・m⁻¹・K⁻¹
，2273K時＜180mW・m⁻¹・K⁻¹，顯(xiǎn)著低(dī)於傳(chuán)統高溫陶瓷（如碳化硼，氧化鋯），證實其在超高溫環境下的(dí)隔熱性能優勢。

總結與展望

本研究(jiū)通過二維通道限域化(huà)學策略成功構建了具有穹頂胞(bāo)元結構的超輕氣(qì)
凝膠家族，實現了J端(duān)溫度下的(dí)超彈性(xìng)和超(chāo)
低熱導率
，突破了傳統氣凝膠在高溫下的力學(xué)和熱學瓶頸(jǐng)。該(gāi)材料在航天熱防護，深空(kōng)探測，高溫工業隔熱等領域具有廣闊應用前(qián)景🖙。未來可進一(yī)步探索其(qí)多(duō)
功能集成（如光電
，磁學性能）🙋，推(tuī)動其(qí)在更(gēng)復雜J端環(huán)境中(zhōng)的應用。