陶瓷气凝胶由于其低密度和热导率，化学和热力学惰性，高孔隙率和大表面积等优异特性而被认为是良好的隔热材料，非常适合解决航空航天领域的隔热问题。然而，这些陶瓷气凝胶多为刚性和脆性，其脆性、高温析晶、热震坍缩等问题严重制约了相关研究和应用。因此，提高陶瓷气凝胶的机械稳定性和热稳定性就成为其在隔热领域进一步发展应用的主要研究。
近期，哈尔滨工业大学的Hui Li等人和加州大学洛杉矶分校的黄昱、段镶锋合作合成了具备超轻、高力学强度和超级隔热三大特点的氮化硼（hBNAGs）以及碳化硅（βSiCAGs）陶瓷气凝胶材料。在这项研究中，设计并合成的陶瓷气凝胶具有纳米双层玻璃壁的双曲线结构，并且其具有负泊松比（-0.25）和负的线性热膨胀系数（-1.8×10-6 /°C）。此种气凝胶超低密度可达~0.1毫克/立方厘米，超弹性高达95％，在剧烈热冲击（275°C /秒）或1400摄氏度的强热应力下几乎没有强度损失，以及其真空中的超低导热系数为（~2.4 mW / m·K），空气中的导热系数为（~20 mW / m·K）。因此这种坚固的材料系统非常适用于极端条件下的超热绝缘，例如在航天器领域中的应用等。
图1 陶瓷气凝胶材料的设计与制备过程
首先制造石墨烯气凝胶当作模板，然后在模板上生长hBN层。最终得到hBN（2D陶瓷）原子薄壁双曲气凝胶，其中相互连接的有晶格缺陷的原子级超薄平面形成蜂窝网络。
图2 hBNAGs材料表征
图3 hBNAGs力学性能
图4 hBNAGs的热学性能
研究人员认为基于上述新型陶瓷气凝胶，可以设计理想的超级隔热系统并在航天器等领域有所应用。
该论文通讯作者、加州大学洛杉矶分校化学系段镶锋教授告诉记者，该陶瓷气凝胶为解决陶瓷超轻结构的脆性问题，以及受热析晶问题提供了研究思路，极大地促进了陶瓷气凝胶在隔热、催化、能源、环境治理、航空航天等领域的应用。
段镶锋教授表示，该项研究仅仅是一个开始，下一步研究团队将继续研制更柔韧，能适应更高工作温度，具有更低导热系数的陶瓷气凝胶超轻结构，进一步促进陶瓷气凝胶在多领域的广泛应用。
相关成果以题为“Double-negative-index ceramic aerogels for thermal superinsulation”的文章在线发表在《Science》上。
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