孔径小于70 nm的纳米多孔气凝胶具有超低的热传导能力，其导热系数低于静止空气（24 mW·m−1·K−1）。然而，建筑单元之间固有的弱项链连接机制和纳米孔内有限的变形空间导致了这些材料的固有脆性。此外，其机械灵活性的提高通常会导致隔热性能的降低。
基于此，哈尔滨工业大学李惠院士、徐翔教授，联合东北林业大学陈文帅教授报告了La2Y0.4TiZr2O9.6陶瓷气凝胶（CSCA）的芯鞘结构设计，该结构具有用于柔性变形的纳米纤维芯骨架和用于隔热的纳米多孔气凝胶护套。所得气凝胶表现出卓越的机械柔韧性，压缩应变高达80%，断裂应变高达21.9%，弯曲应变高达100%，以及导电率为21.96 mW·m−1·K−1在26 °C时保持稳定，在超过 1300 °C 的工作温度下保持稳定。最终，所提出的CSCA构成了结构设计中一种全新的方法，以解决气凝胶的巨大机械-热权衡，并为热超隔热的进一步进步提供了有前途的材料配置。该研究成果以“Nanofibrous core/nanoporous sheath structured ultra–flexible ceramic aerogels for thermal superinsulation”为题，发表在《Science Bulletin》上。
图1.为CSCA的结构设计与制备示意图：(a)展示了新型隔热气凝胶的性能需求；(b)呈现了其制备过程示意图；(c)通过雷达图对本研究的CSCA与BNF气凝胶、PG气凝胶、PI–SiO₂气凝胶及Si₃N₄纳米多孔材料（NBA）的性能进行对比，涉及1/κ（热导率，单位：mW·m⁻¹·K⁻¹）、1/ρ（密度，单位：mg·cm⁻³）、S（稳定性，单位：h）、Tm（最高工作温度，单位：℃）和ε（形变，单位：%）等参数；(d)为核壳结构纳米纤维（CSNF）的扫描电子显微镜图像，该纤维具有纳米纤维核与纳米多孔壳层；(e)则为原位生长示意图。
图2.为CSCA的形貌表征：(a)为CSCA的扫描电子显微镜（SEM）图像；(b)为纳米纤维核与纳米多孔壳层表面的SEM图像；(c)为CSCA单元横截面的SEM图像；(d)为核壳界面的高分辨率透射电子显微镜（TEM）图像；(e)为CSCA中锆（Zr）、钇（Y）、镧（La）、钛（Ti）及氧（O）元素的分布图。
图3.为CSCA的材料表征结果：(a)为CSCA的X射线衍射（XRD）图谱，以及四方相氧化、金红石相二氧化钛和立方相氧化的PDF标准卡片；(b)为CSCA的拉曼光谱；(c)为CSCA的X射线光电子能谱（XPS）结果；(d)为不同纳米纤维与溶胶体积比下的壳层厚度和气凝胶密度；(e)为体积比=1.5时核壳结构纳米纤维（CSNF）的扫描电子显微镜（SEM）图像；(f)为体积比=2.2时CSNF的SEM图像；(g)为室温下CSCA的热导率（κ）与密度关系，插图为采用平板热流计法测量热导率（κ）的示意图；(h)为CSNF的直径分布；(i)为CSCA的孔径分布，插图为CSCA的吸附-脱附等温线；(j)为CSCA的热重（TG）曲线；(k)为CSCA的微分热重（DTG）曲线。
图4.为CSCA的力学性能表征：(a)为CSCA应变为80%时的压缩应力-应变曲线，以及应变分别为30%和50%时的应力-应变曲线；(b)为不同壳层厚度下CSCA的压缩应变，插图为纳米纤维核原位压缩测试的扫描电子显微镜（SEM）图像；(c)为CSCA的拉伸应力-应变曲线，插图为拉伸测试的实拍图；(d)为CSCA的弯曲应力-应变曲线，插图为弯曲测试的实拍图；(e)为CSCA应变为50%、循环100次的压缩疲劳测试结果；(f)为不同压缩应变下CSCA的近零泊松比（ν）；(g)为CSCA存在晶格畸变的高分辨率透射电子显微镜（TEM）图像；(h)、(i)分别为CSCA扭转测试和卷曲测试的光学图像。
图5.为CSCA的热性能表征：(a)为CSCA与其他气凝胶的最大弹性形变及最高工作温度对比；(b)为CSCA与其他气凝胶在1000℃下处理1h前后的光学图像；(c)为陶瓷气凝胶的紫外-可见-近红外反射光谱，蓝色区域标注的是1200℃下黑体的辐射曲线；(d)为高温下CSCA（红色菱形）、二氧化硅纳米多孔气凝胶（黑色正方形）、ZrO₂纳米多孔气凝胶（黑色三角形）、SiZrOC纳米纤维气凝胶（黑色圆形）及BcF陶瓷纳米纤维气凝胶（黑色五边形）的热导率（κ）对比；(e)为核壳结构纳米纤维（CSNF）内热传递的示意图；(f)为各气凝胶在室温下的热导率（κ）；(g)为CSCA作为深空探测热防护层（TPL）的隔热性能。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.09.002
