气凝胶材料作为许多领域的防护材料发挥着至关重要的作用，包括5G技术的电磁干扰屏蔽材料、高层建筑的隔热材料和军事应用的红外隐身材料。然而，目前的保护材料往往在极端温度等恶劣条件下失效。值得庆幸的是，四川大学的一组研究人员开发出能够在极端温度下保持其功能性和超弹性的新型气凝胶材料。

结果发表在《纳米研究》上。

图片来源：纳米研究，清华大学出版社

“我们的目标是解决传统防护气凝胶材料在恶劣工作条件下性能严重恶化的问题，”通讯作者、四川大学化学学院教授赵海波说。

在赵的团队开发之前，聚合物基泡沫材料通常用作保护材料。这些材料表现出超弹性和高压缩性的积极特性，但在聚合物的熔融温度后无法保持这些特性。另一种常用的材料是金属和陶瓷泡沫，它们在温度范围内保持稳定，而聚合物基泡沫则不然，但不具备实用所需的弹性。

一种更接近可扩展解决方案的方法涉及使用碳气凝胶，碳气凝胶具有很好的隔热和电磁干扰特性，例如高比表面积、低密度、良好的导电性以及化学和热稳定性。然而，由于某些固有特性，碳气凝胶具有局限性。碳纳米管成为构建超弹性碳气凝胶的一种流行方法，因为它们可以在高温下保持所需的性能，但由于制备需要很多步骤，因此这些方法不可扩展。

通过专注于微观结构设计，赵的团队能够开发出一种具有超弹性的聚合物气凝胶，该聚合物气凝胶可在 -196 至 500°C 的温度范围内发挥作用，工艺可扩展且实用。

“与之前报道的大多数碳气凝胶通常具有较差的机械性能不同，制备的气凝胶材料表现出不随温度变化的超弹性，同时保持多功能保护性能，”赵说，他还隶属于四川生态友好型高分子材料国家工程实验室并与环保和防火高分子材料协同创新中心合作。

赵的方法使用双向取向的碳/碳气凝胶复合多壁碳纳米管——换句话说，一种允许将碳气凝胶的积极特性与碳纳米管的积极特性相结合的组合——具有高度有序的碳骨架，其中之一这种新方法与以前的方法之间的主要区别。他们实现所需微结构的可扩展方法 - 特别是高度定向的拱形结构 - 涉及双向冷冻和碳化过程以开发碳/碳气凝胶。

“所报道的气凝胶材料在-196至500°C的宽温度范围内以及经过数百次循环压缩后，仍保持超弹性、高电磁干扰屏蔽效能、隔热和红外隐身性，”赵说：“最令人兴奋的方面是经济和简单的制备过程，这为材料的潜在实际应用奠定了基础。”

赵指出，下一步是使气凝胶可用于商业、军事和其他环境。

“我们希望推动所报道的气凝胶的产业化，并进一步在5G技术、高层建筑、军事用途等方面的应用，”他说。