碳气凝胶具有超轻重量、低导热率和非凡的耐高温性，在应对高超声速飞行器在轨运行和重返大气层过程中遇到的严峻热威胁方面显示出巨大潜力。然而，由于构建模块的单一性或组装行为的不可控性，当前的3D气凝胶在绝热性能和机械性能之间存在不可调和的矛盾。

近期，东华大学丁彬教授&刘一涛教授提出了一种多尺度低维纳米碳的空间限域组装策略，以实现热量和应力传递的解耦合。纳米纤维框架是传递负载应变的基础，由纳米颗粒聚集形成的连续类薄膜层覆盖，二者结合成为产生弹性行为的基本结构单元，同时在气凝胶中形成分区，以抑制气态流体在不同分区内的热扩散。由此产生的具有分层细胞结构和准封闭细胞壁的全碳气凝胶在热机械和隔热性能之间取得了最佳权衡，显示出24mg/cm3的超低体积密度、-196℃至1600℃的恒温压缩性，以及300℃下0.04829W/m/K的低热导率。总之，该策略为未来的航空航天探索提供了一种面向极端环境的优异热防护材料。

图1.a）显示合成步骤的流程图。b-e）BCAs在不同放大倍数下的SEM图像，显示了分层结构和准封闭细胞壁。f）BCAs（24mg/cm³）自立于蒲公英顶端的光学图像。g）BCAs上C和O的EDS光谱图以及相应的XPS光谱。h）C1s的高分辨率XPS光谱。i）光学图像展示了BCAs优异的隔热性能。

图2.a）在冷冻铸造过程中，冰核形成和生长与冷冻温度之间关系的定性说明。b）RF气凝胶和碳化产物气凝胶的TEM图像。c）RF气凝胶和O-PAN NFS的TG和DTG曲线。d）BCAs的共热解机理。e）多形态缠结网络图解和相应的SEM图像。f）不同纳米粒子负载量的BCAs的氮气吸附-解吸等温线。g）DFT孔径分布。h）ln（V/Vmono）与ln（ln（P0/P））的曲线表明了BCAs的分形特征。

图3.a）BCAs的压缩应力-应变曲线。b）BCAs微观结构演变的SEM观察和有限元模拟结果。c）300次循环疲劳试验，压缩ε为50%。d）BCAs与其他报道的气凝胶的极限破坏应变和比应力的比较。e）BCAs的E’、E”和tanδ的频率依赖性。f）十万次循环期间BCAs的E’、E”和tanδ。g）BCAs的E’、E”和tanδ的温度依赖性。h）光学照片表明BCAs在酒精灯火焰（500℃）和液氮（-196℃）中的压缩弹性，以及BCAs在1600℃下碳化后的SEM图像。

图4.在1000、1300和1600℃下碳化的BCAs的XRD光谱a）和拉曼图谱b）。c）不同组分的气凝胶的比消光系数。d）不同组分的气凝胶的模拟辐射热防护性能比较。e）促进BCAs绝热能力的因素示意图。f）BCAs在空气中于不同温度下的热导率。g）CNFS和BCAs-2在400℃热板上的隔热性能比较。h）CNFS和BCAs-2基于有限元模拟的温度分布比较。

该工作以“Multiscale Interpenetrated/Interconnected Network Design Confers All-carbon Aerogels with Unprecedented Thermomechanical Properties for Thermal Insulation Under Extreme Environments”为题发表在《Advanced Materials》（DOI:10.1002/adma.202308519）上。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202308519