DOI: 10.1002/adma.202300813

极端条件下的热防护需要材料具有优异隔热性能和特殊机械性能，以承受各种复杂的外部应力。中孔二氧化硅气凝胶由于其超低的热导率而成为应用最广泛的隔热材料。然而，在实际应用中，它们仍然存在机械脆性和结构不稳定的问题。在此，本研究报道了一种通过在层状纤维素纳米纤维网络中原位生长无机矿物合成的仿珍珠层纳米复合气凝胶。无机-有机组分的多尺度结构适应性，使纳米复合气凝胶在环境压力干燥过程中具有快速的构型恢复能力。所得气凝胶显示出超低的热导率（在1.0个标准大气压下为17.4mW/m/K）。该气凝胶还集成了具有挑战性的机械性能，包括高压缩刚度以抵抗成人压力下的变形，超弹性以防止静态和动态应力开裂，即使在车辆（1.6吨）的挤压下也是如此，以及高弯曲柔性以适应任何表面。此外，它们在宽温度范围（-196至200℃）的疲劳应力/应变循环下表现出优异的结构稳定性。高隔热性能和优异的机械性能相结合，为在极端条件下进行稳健的超隔热提供了一种潜在的材料体系，尤其是在航空航天应用中。

图1.SCQ气凝胶的加工原理。a-d）示意图显示了SCQs的仿生制造过程，包括PMSQ在天然BC网络中的原位缩聚和环境压力干燥。插图：大尺寸SCQs的光学图像表明大规模生产是可行的。e-g）一种多尺度结构适应策略，用于构建具有优异机械性能和高隔热性能的SCQ气凝胶。h,i）示意图描绘了传统纤维-二氧化硅气凝胶和SCQ气凝胶在环境压力干燥过程中的微观结构演变。j）实时图像显示了SCQ凝胶在环境压力干燥过程中的结构收缩和恢复。k,l）相邻BC-PMSQ纳米团簇之间相互作用力的分子动力学模拟。m）两个BC-PMSQ纳米团簇之间的相互作用力与质心距离的函数关系。

图2.SCQs的仿珍珠层微观结构。a-c）原始BC纳米纤维网络和制备的SCQs的SEM图像，显示PMSQ纳米颗粒在3D BC纳米纤维网中呈均匀分布。d）仿珍珠层SCQ气凝胶的示意图。e）上图：胶带上剥落的SCQ气凝胶的照片。底部：横截面SEM图像显示被BC纳米纤维缠绕的集成结构（厚度约1.7μm）。f,g）SCQ气凝胶在水平方向上的SEM分析，显示由BC纳米纤维桥接的层间滑脱。（h）半透明、轻质SCQ气凝胶样品在叶片上的照片（体积密度为0.26g/cm3）。i）承重2.5kg的SCQ气凝胶样品（横截面积：20mm×1mm）的照片。j）弯曲试验证明，厚度为1mm的SCQ气凝胶样品具有高柔性。k）SCQs的弯曲柔性示意图，取决于最小弯曲曲率半径（rb）。l）通过刀具使SCQs成型，表明其具有优异的机械加工性。

图3.抗压SCQs。a）示意图显示SCQ气凝胶具有对成人负荷的抗压性能。b）照片显示支撑1.43×104Pa压缩载荷的SCQ气凝胶，而商业PU泡沫遭受大变形（80%应变）。c）加载-卸载循环的压缩应力-应变曲线，应变增量为30%、60%和80%，表明SCQs具有高机械强度和超弹性。d）与其他高性能气凝胶相比，SCQs的最大可恢复应变和极限压缩应力。e）左图：落锤冲击试验后样品断裂的照片。右图：断裂面的横截面SEM图像显示出明显的裂纹偏转。f）具有仿珍珠层结构的SCQ气凝胶的失效行为。g）SCQ气凝胶表现出优异的抗冲击性，钢球（5kg）掉落不会破坏其结构完整性。

图4.SCQs不随温度变化的力学性能。a）光学图像描绘了SCQ气凝胶在液氮中的100次可逆弯曲循环。b）SCQ气凝胶在空气气氛中的热重（TG）和差示热重分析（DTG）曲线。c）在-150-200℃的温度范围内，SCQ气凝胶的压缩储能模量与频率（0.1-100Hz）的函数关系。d）SCQ气凝胶在20000次循环中的抗压疲劳性能（±3%振荡应变，10Hz）。

图5.SCQs的高隔热性能。a）SCQ气凝胶的高隔热性能机理。b）放置在加热板（80℃）上的SCQ气凝胶、PU泡沫和棉花的光学和红外图像。c）放置在加热板上的不同材料的热测量。d-f）暴露于酒精灯火焰的SCQs的照片和（g-i）红外图像，表明即使在燃烧条件下，仿珍珠层气凝胶也具有优异的隔热性能。

图6.SCQs作为多层绝缘毯（MLIs）的替代品。a）示意图显示SCQs和MLIs的隔热性能比较。b）SCQs和MLIs在不同空气压力下的热导率。c）顶部：SCQ气凝胶的疏水性能。插图显示了SCQ气凝胶的水接触角。底部：水滴从超疏水SCQ气凝胶上以很小的倾斜角度立即滚落。d）航天服鞋垫用SCQ气凝胶的概念图。e）SCQ气凝胶三点弯曲试验的10000次循环应力-应变曲线。f）对样品施加恒定应力的传热测量实验装置示意图。g）加热板和冷却板上SCQs和MLIs随时间变化的温度分布。h）比较SCQs和其他高性能气凝胶的雷达图。