熱防護材料在航空航天、能源工業、高溫制造等多個領域有著至關重要的應用。然而，在高溫環境中，如何讓熱防護材料既能扛得住“外力沖擊”，又擋得住“熱量侵襲”？
近日，南方科技大學材料科學與工程系博士后張振邦及所在研究團隊，受珍珠母結構啟發，成功研制出一種仿生多孔陶瓷材料，如同為高溫環境中工作的設備披上一件“隔熱鎧甲”，不僅隔熱性能優異，還能承受高強度機械載荷。相關成果發表于《先進材料》，為新型熱防護材料設計提供了新思路。
仿生多孔陶瓷材料。研究團隊供圖各式各樣的氣凝膠材料是當前使用最為廣泛的熱防護材料。絕大多數氣凝膠材料為了提高隔熱性能而不斷追求更高的孔隙率。然而，過高的孔隙率導致孔隙之間的支撐結構連貫性差，進而嚴重削弱了其機械強度。因此，隔熱性能與力學性能之間的矛盾仍是熱防護材料研究中的一大難題。
天然珍珠母是一種包裹在貝殼內的材料，有著層狀的“磚-泥”微觀結構，與人造材料不同，這種特殊的結構使珍珠母具備了強度和韌性相結合的特性。
研究示意圖。南科大供圖
為此，研究人員受珍珠母材料結構的啟發，通過納米纖維輔助蒸發自組裝技術，將氧化鋁微米片進行取向排布制備仿珍珠母復合薄膜，再將所得復合薄膜進行層疊和燒結，制備得到仿珍珠母多孔陶瓷。其內在機理是仿珍珠母多孔陶瓷內部由礦物橋連接的氧化鋁微米片構筑而成，其中的層狀多孔結構使材料具備了較好的隔熱性能。
傳統的熱防護材料由于其內部有很多的空隙，導致力學性能不足，在后續的實際使用中容易損壞?！爱敳牧铣惺茌d荷時，大量的礦物橋將載荷高效均勻地沿微米片分散開來，緩解了應力的局部集中，進而提高了材料的力學性能，彌補了傳統熱防護材料中因多孔隙導致的力學性能不足的問題。”論文第一作者張振邦介紹。
傳統的熱防護材料常常面臨隔熱性能越好，熱量越容易在表面“堆積”，導致局部高溫熔毀的難題。研究團隊提出的新型熱防護材料具有各向異性的特性，在面外方向上具有較好的隔熱性能，在面內方向上具有一定的導熱性能。
“就像是給高溫環境中工作的設備裝上了‘隔熱鎧甲’。”張振邦表示，研究團隊提出的新型防護材料在面對一個外界局部熱源的時候，它就可以有效的將局部熱源的熱量在外表面傳導，避免熱量的局部集中，以防材料承受過多熱量或過早地發生損壞。
防火隔熱性能結果顯示，該材料的全陶瓷組分使其在1300度高溫下仍可保持結構的完整性，在火焰灼燒十分鐘后，該材料的背面溫度仍可維持在較低的水平，進一步證明了仿珍珠母多孔陶瓷作為熱防護材料在實際應用中具有較好的防火隔熱性能。
未來研究團隊還將進一步優化材料性能，探索材料在耐紫外輻照、電磁屏蔽、輻射制冷、損傷自監測等功能上的集成，實現新型熱防護材料的“按需定制?！?span style="display:none">2jC速刷資訊——每天刷點最新資訊，了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202506308
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