气凝胶因其高孔隙率与超低密度，已成为一类具有重要应用潜力的多功能材料，广泛用于航天探索、传感器、热管理及化学催化等领域。然而，传统溶胶-凝胶法制备的气凝胶通常基于零维颗粒之间的弱连接，导致其整体结构高度不稳定，表现出显著的脆性与较差的弹性回复能力。为弥补上述结构性缺陷，做爱视频 者提出了多种几何结构设计策略，在保持高孔隙率的同时显著提升气凝胶的弹性性能，常见方式包括引入一维纤维或纳米管网络，以及采用二维纳米片组装构建蜂窝与拱形胞元结构。尽管如此，现有气凝胶在极端环境下仍面临力/热学稳定性差的挑战，具体表现为高温条件下的晶体结构热不稳定性，以及大应变加载下的结构塌缩与不可逆形变。此外，柔性非晶区域被认为是支撑陶瓷气凝胶弹性行为的关键结构单元，但其存在同时也显著限制了材料的高温热稳定性。目前提升其热稳定性的常用方法主要集中于限制非晶结构的扩散演化，但其热软化温度普遍受限于2273 K以下，难以满足极端环境的应用需求。因此，如何实现高温下结构稳定且具备优异弹性的气凝胶材料，已成为当前亟待突破的关键科学问题。

近日，做爱视频-性爱视频-古装做爱 刘益伦教授团队与浙江大学高分子科学与工程系高超教授团队合作提出了一种耐高温超弹性气凝胶设计方法，建立了多种微结构的多尺度力学模型，揭示其在大变形过程中受褶皱演化调控的结构超弹性机制。进一步指导实验通过二维通道受限发泡策略成功制备了在4.2K至2273K宽温域与100次反复热冲击条件下保持99%弹性应变的优异性能的穹顶结构气凝胶。相关做爱视频 成果以“Dome-celled aerogels with ultrahigh-temperature superelasticity over 2273 K”为题发表在国际知名期刊《Science》上。

氧化石墨烯具有原子级各向异性及丰富的化学官能团，然而层间相互作用较弱，易发生层间滑移等失效行为，导致高温下出现显著软化现象。同时，传统陶瓷在高温下晶粒易长大，形成粗大晶体结构，进一步加剧其脆性。针对上述问题，我们提出了一种基于二维通道限域发泡的超弹性气凝胶可控构筑方法：以氧化石墨烯薄膜为前驱体，引导金属离子在石墨烯构建的二维限域通道中实现原子级均匀分散，并通过调控热处理过程形成由纳米晶组成的多晶氧化物层状结构。该方法能够有效抑制粗大晶粒团聚体的形成，显著增强气凝胶胞壁的热稳定性与弹性（图1）。进一步通过多尺度建模，构建了蜂窝、拱形与穹顶结构单胞及多胞模型，并基于考虑微结构特征的有限元分析方法系统评估其压缩-回弹过程中的受力变形与弹性应变能储存特性。结果表明穹顶微结构的非可展曲面几何特性在压缩加载下自发产生高密度且均匀分布的褶皱网络（图2），可有效降低回弹阶段胞壁间的粘附阻力，并通过增强胞壁弯曲变形能力显著提升整体弹性应变能。此外，通过对应变能密度场分布分析，我们发现穹顶结构可避免局部应变集中引发的失效与能量损耗，在极端力-热耦合环境下展现出卓越的结构稳定性，其弹性应变能存储能力较蜂窝与拱形结构提升一个数量级。

图1.基于石墨烯二维通道限域方法的穹顶微结构气凝胶构筑。(A)气凝胶的制备过程包括三个关键步骤：①通过可调控的氧化石墨烯（GO）限域通道定向捕获金属盐离子；②利用含发泡剂的溶剂诱导鼓泡，构建穹顶微结构；③经热转化处理，在空气中于600 °C加热4小时、氩气中于2000 °C加热2小时，或氢气中于450 °C加热1小时，分别得到氧化物、碳化物与金属气凝胶。(B, C)所制备碳化物气凝胶板材与氧化物气凝胶卷材的实物图像。(D)基于厚度约500 nm的超薄GO膜鼓泡形成的穹顶微结构的三维光学图像。(E, F)穹顶气凝胶在X-Z、Y-Z和X-Y三个方向切片后的扫描电子显微镜（SEM）图像，揭示其各向异性的三维结构特征。

图2.有限元结构模型分析。(A)蜂窝、拱形与穹顶单胞在压缩加载下的形貌演化；(B) 90%压缩应变下三种结构的归一化应变能密度分布；(C)双曲构型蜂窝、拱形及穹顶多胞模型压缩过程中的应变能密度云图对比；(D)壁厚10 nm条件下三种微结构在0–90%压缩过程中的总应变能密度累积曲线。

进一步的实验结果表明，采用上述二维通道受限策略制备的碳化物气凝胶材料在宽温域内展现出突出的弹性特征。在室温条件下，该类气凝胶可在99%应变下完成2万次循环压缩，仍保持几乎不变的高度（塑性变形＜3%）和极低的强度衰减（＜20%）。特别地，所制备的碳化物穹顶微结构气凝胶在4.2 K深冷至2273 K超高温环境中依然保持99%弹性应变的能力（图3）。此外，得益于纳观层状结构与穹顶微结构在高温下的卓越稳定性，碳化物气凝胶在极端力/热环境中展现出优异的热绝缘性能。即使在室温下经历10,000次疲劳加载循环并且在2273 K高温下反复循环100次后，其热导率仍维持在超低水平，体现出优异的结构稳定性与抗形变能力。同时，在2273 K条件下经受100次热冲击后，样品形貌无明显变化，热导率几乎无衰减，为极端温度条件下的高可靠性热防护提供了全新材料方案（图4）。

图3.穹顶胞元气凝胶的力学性能分析。(A)不同组分的穹顶微结构气凝胶堆叠样品在室温下经历99%应变循环20,000次的压缩应力-应变曲线；(B)原位SEM结果显示的气凝胶垂直截面压缩结构演化；(C)穹顶微结构气凝胶最大可恢复应变与表观密度的关系，并与典型已报道气凝胶性能进行对比；(D, E)不同碳化物穹顶气凝胶堆叠样品在4.2 K与2273 K下，经历99%应变循环100次的应力-应变响应曲线；(F)碳化物气凝胶堆叠样品在丁烷火焰双侧加热下，经历99%应变循环100次的应力-应变响应曲线。插图为循环加载过程中的代表性实验图片。

图4.碳化物气凝胶的热绝缘性能表征。(A) TaC与高熵（ZrTaNbTiHf）C气凝胶在173 K至2273 K范围内的热导率变化曲线；(B) TaC与高熵（ZrTaNbTiHf）C气凝胶在室温下经历99%应变压缩循环10,000次后的热导率；(C) TaC气凝胶在2273 K下热冲击条件下，经过100次循环后的热导率，其中插图为TaC气凝胶的微观结构及元素分布图；(D) TaC气凝胶用于高温热防护场景的实物照片及其对应热成像图像；(E)碳化物气凝胶（包括TaC、ZrC与高熵（ZrTaNbTiHf）C）与典型绝热材料的最大工作温度及室温热导率对比图；(F)碳化物气凝胶在1273 K与2273 K下的热导率与已报道陶瓷材料的对比图。

原文链接

//www.science.org/doi/10.1126/science.adw5777

关于作者

浙江大学专职做爱视频 员庞凯、博士生夏雨星、博士后刘晓婷及做爱视频 博士生童文浩为论文的共同第一作者，做爱视频 刘益伦教授、覃华松副教授、陈炎助理教授参与指导，浙江大学高超、许震及刘英军教授为论文共同通讯作者。同时，欢迎了解做爱视频-性爱视频-古装做爱 空天装备数智力学团队。团队负责人是国家杰出青年基金获得者刘益伦教授，骨干成员包括国家级青年人才岳圣瀛教授，国家级青年人才刘思达教授，覃华松副教授、潘周周副教授、张钱城副教授、张志家副教授、应鹏华副教授、陈炎助理教授、李玉书助理教授。团队致力于空天装备智能设计、分析、制造一体化。团队拥有先进的实验仪器设备、丰富的计算资源、理论功底扎实、做爱视频 氛围融洽，欢迎优秀本科生前来攻读硕士做爱视频 生、博士做爱视频 生。