冻干法制备多组分二氧化硅纤维气凝胶实现高温隔热与力学性能协同提升

本文创新性地采用一步冻干成型技术，将纳米级二氧化硅气凝胶粉体（SiO2 aerogel）嵌入微米级纤维网络，构建多尺度孔结构复合材料。通过调控粉体含量（2-10 wt%），材料密度（20-100 mg/cm³）和导热系数（0.040-0.031 W/(m·K））显著优化，10 wt%样品在80%应变下抗压强度达0.5 MPa，兼具优异热稳定性（600℃失重<3%）、疏水性（接触角158.3°）和阻燃性，为高温隔热领域提供新解决方案。

Highlight

本研究通过将纳米级气凝胶颗粒（aerogel particles）引入纤维基浆料，采用一步冻干集成成型工艺，同步调控微米-纳米级结构。气凝胶颗粒的引入促进了高度互联且均匀分布的孔网络形成，在保持超轻特性（密度低至20 mg/cm³）和低导热系数（0.031 W/(m·K)）的同时，显著提升机械强度（80%应变下0.5 MPa）和热稳定性（600℃失重<3%）。

Structure and Morphology

图2(a)展示通过冻干工艺制备的不同形状气凝胶实物，其外形可通过模具灵活定制。图2(b)中SF-0样品置于花朵上未引起花瓣变形，印证材料的超轻特性。SEM显示（图2c-h），纳米颗粒有效填充纤维间大孔，形成13 nm的精细孔结构，比表面积提升至285 m²/g。

Conclusion

通过纳米气凝胶颗粒填充微米纤维孔隙的策略，结合冻干成型技术，成功制备出平均孔径13.0 nm的复合材料。导热系数较纯纤维气凝胶降低22.5%，10 wt%样品在80%压缩应变下强度达纯样品的8倍，且具备158.3°超疏水角和极限氧指数32%的阻燃性能。