DOI: 10.1002/adfm.202215168

碳气凝胶（CA）因其轻质性和高温绝缘特性而成为理想的航空航天热防护材料。然而，当抵抗高频热冲击或复杂的机械应力时，其固有的脆性和缺陷敏感性很容易引发灾难性的故障。压缩是气动压力和预紧力作用在气凝胶上的主要载荷，因此，结构弹性和在冲击应力下保持热性能的优异能力对于决定气凝胶的实际可用性至关重要。本综述介绍了用于热防护的新型弹性CAs的最新进展，重点是其可靠的结构稳定性、热稳定性和超级绝热性能。首先研究了微观结构对传热行为的影响规律，然后探讨了绝热CAs的构建策略，强调了从0D纳米颗粒到1D纳米纤维/纳米管再到2D纳米片的构建模块连续性增加所产生的可恢复变形性。此外，还讨论了高温有氧环境下热稳定性和隔热性能的优化。最后，作者还就CAs在实现更好性能和更光明前景方面所面临的挑战和机遇发表了自己的看法。

图1.本综述中讨论的主题的简要概述。数码照片显示了CAs的隔热性能。

图2.多孔材料中的传热模型。

图3.固体传导机制示意图。a）驱动分子或原子振动的弹簧-质量系统的图解模型。b）有助于声子散射的影响元素。

图4.颗粒结构CAs的整个制备过程。I）溶胶-凝胶聚合，II）交联和老化，III）干燥以及IV）碳化。

图5.颗粒结构CAs改善的机械性能。a）CBCF平面内和垂直方向的SEM图像。b）CBCF/CAs的SEM图像。c）CBCF和CBCF/CAs的压缩应力-应变曲线。d）热解过程中纤维与酚醛气凝胶的收缩匹配程度导致的机械和热性能差异。e）增强体和基体协同收缩示意图。f）纤维和气凝胶之间紧密结合的界面的SEM图像。g）纯CAs和CAs复合材料的压缩应力-应变曲线。

图6.通过生物质衍生方法制备的1D CNFs用于构建CAs。a）BC气凝胶的SEM图像。b）BC衍生CAs的SEM图像。插图显示了相应的光学图像。c）BC衍生CAs的压缩应力-应变曲线。d）壳聚糖衍生CAs的制备步骤。e）CAs在不同压缩应变下微观结构变形的SEM图像和示意图。f）壳聚糖衍生CAs在极端条件下的结构稳定性。

图7.通过模板诱导自组装方法和催化合成制备的1D CNFs用于构建CAs。a）通过冷冻干燥合成纳米纤维气凝胶的步骤示意图。b）不同放大倍数下的分层结构形态。c）SiO2/C双纤维气凝胶的SEM图像。d）隔热测试过程中的红外热图。e）具有超强柔性的SiO2/C纤维气凝胶的照片展示。f）使用1D纳米线作为模板的合成方法的示意图。g）酚醛和壳聚糖模板之间的相互作用。h）显示纤维-纤维接头的SEM图像。i）前体碳纳米纤维气凝胶在冰晶和纳米纤维双模板作用下的3D重建。j）催化合成碳纳米纤维气凝胶的制备和测试方法示意图。k）从气凝胶底部到顶部的截面SEM图像。l）与其他文献中发表的其他低密度碳材料的热导率的比较。

图8.通过溶胶-凝胶法和化学气相沉积工艺制备的1D CNTs用于构建CAs。SWCNT网络的SEM a）和TEM b）图像。c）SWCNT气凝胶和不同密度的颗粒结构气凝胶的室温热导率。d）一种通过CVD方法制备的单片气凝胶。e）碳纳米管气凝胶的横截面SEM图像。插图显示了TEM图像。f）CNT气凝胶可以在大变形下弯曲和扭曲而不会断裂。g）在不同压力下，通过热传导分析仪和激光闪光测定原始CNT气凝胶的热导率。h）浮动催化剂CVD工艺示意图。i）接头焊接后CNT气凝胶的SEM和TEM（插图）图像。j）接头焊接气凝胶在拉伸和压缩下的示意图。

图9.通过水热还原方法制备的2D石墨烯纳米片用于构建CAs。0D珍珠a）和2D片b）气凝胶的传热抑制示意图。气凝胶在不同压力c）和体积密度d）下的气体热导率。e）通过水热还原法制备GAs的工艺描述。f）细胞和壁结构的SEM图像。g）GAs内部的传热过程示意图。在薄片的界面处发生了强烈的界面介导的声子散射。h）硼酸盐桥接对石墨烯自组装的影响示意图。i）通过不同干燥方法制备的GAs的热导率。j）通过原位SEM观察到的GAs的结构演变和压缩应变图。

图10.通过模板诱导自组装方法制备的2D石墨烯纳米片用于构建CAs。a）图解说明了通过冷冻铸造形成GA的机制。b）显示核心形成或晶体生长与冷冻温度之间的关系图。c）在不同冷冻温度下获得GAs的SEM图像。d）冷冻铸造纳米复合材料泡沫的SEM横截面和3D重建显微成像。e）该示意图说明了定向孔隙对复合材料泡沫径向和轴向热导率的贡献。f）规则向列相或层列相与宏观均匀相之间的差异示意图。g）随着放大倍数的增加，气泡模板诱导的GAs的微观结构的SEM图像。h）GAs保护纸鹤免受酒精灯火焰的伤害。i）图像显示GAs具有超弹性。j）GAs在99%应变下进行三次循环的应力-应变曲线。

图11.通过非均相原子和填料的掺杂来提高CAs的抗氧化性。a）PFR/SiO₂气凝胶的制备和结构组成示意图。复合气凝胶的SEM b）和HRTEM c）图像。d）PFR/SiO₂气凝胶在1300℃下延长加热过程中的耐火性。e）耐火测试后PFR/SiO₂气凝胶背面的照片。f）耐火性测试后正面残留SiO₂网络的照片和SEM图像。g）二氧化硅改性颗粒结构CAs在800、1200和1600℃下碳化的TEM图像和示意图。h）纯CAs和二氧化硅改性CAs在不同温度下热解的TG曲线。i）含锆的CAs在不同温度下碳化的XRD光谱。j）在1650℃下热解的B4C-SiC复合气凝胶的TEM图像。k）B4C-SiC复合气凝胶（具有不同B/Si摩尔比，在1550℃下热解）在1200℃下的流动空气气氛中的TG和DSC曲线。l）纤维增强CAs的SEM图像。

图12.通过表面涂层提高CAs的抗氧化性。a）通过CVD方法制备C@SiO₂核壳气凝胶的示意图。b）纯CA和C@SiO₂气凝胶在空气气氛下的TGA曲线。c）C@SiO2气凝胶在热处理过程中的表面温度曲线。d）具有石墨烯骨架和Al₂O₃陶瓷纳米层的GCM的微观结构表征。e）GCM的阻燃性能。f）GCM的TGA比较。g）梯度结构C/CAs的制备工艺示意图。h）复合材料的微观结构。

图13.通过构建单元结构优化，提高CAs的隔热性能。a）中空结构构建模块抑制传热的优越性示意图。b）管状纤维气凝胶和带状纤维气凝胶加热10分钟后的SEM和伪彩色热图像。c）阻燃机理示意图。d）NW@CAs和中空CAs的扫描电镜、透射电镜和元素图谱。e）具有不同外壳厚度的电缆状和管状气凝胶的室温热导率。f）电缆状和管状气凝胶在加热台上的隔热性能。g）沿三个正交方向的隔热性能。h）不同管材的导热系数比较。i）多孔结构构建模块抑制传热的优越性示意图。j）间苯二酚甲醛衍生的碳气凝胶纤维的SEM图像。k）多孔CNFs的横截面SEM图像。插图显示了TEM图像。

图14.通过装配结构优化，提高CAs的隔热性能。a）封闭式蜂窝状GAs中的热传递示意图。b）具有微米/纳米级孔隙的HCC结构GAs的横截面SEM图像。红外图像显示HCC结构GAs在垂直方向c）和横向方向d）上具有优异的隔热性能。e）照片和SEM图像显示HCC结构GAs比DOC或HOC结构GAs具有更好的阻燃性。f）不同微结构GAs的烧穿时间。g）产生高度隔热的封闭蜂窝结构GAs的示意图。h）单个GO微泡和具有薄界面壁的封闭蜂窝结构GAs的SEM图像。i）不同隔热结构材料的表观密度和导热系数的相关性。j）显示菱形十二面体结构中各成分对总热导率的贡献示意图。

图15.新型热防护用超弹性碳气凝胶的未来方向。