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华侨大学支婉欣/张宝杰/马琛等：反射-散射-隔热协同增强莫来石纤维气凝胶激光防护性能精选

已有 417 次阅读 2026-6-30 10:14 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Zhi W, Liu J, Ma Z, et al. In situ construction of hierarchical TiO₂ nanowire/mullite fiber composite aerogels with enhanced ablation resistance. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221318

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221318

ResearchGate：In situ construction of hierarchical TiO 2 nanowire/mullite fiber composite aerogels with enhanced ablation resistance

基金支持：

本研究获得国家自然科学基金（52302064）、福建省自然科学基金（2025J09041）及中央高校基本科研业务费（ZQN-1204）资助。

一、导读

高能激光武器对飞行器热防护材料构成严峻挑战。传统陶瓷纤维气凝胶虽轻质隔热，但其多孔骨架极易被激光穿透，300 W/cm²下，普通莫来石纤维气凝胶3秒即烧穿。研究团队通过原位生长TiO₂纳米线，构建分级增强结构：表面反射率从94.68%提升至97.25%，光吸收降低48.3%；1000 °C热导率下降30.8%。新气凝胶在300 W/cm²下耐受30秒并承受多次打击，500 W/cm²照射30秒仍完好无损。该策略为激光防护、航天热防护提供了全新轻质解决方案。

二、研究背景

随着航空航天及特种装备技术的飞速发展，飞行器与关键部件面临的极端热环境日益严苛，尤其是大功率高能激光带来的热-力-辐射耦合载荷，对防护材料提出了"轻质、隔热、抗激光"的多重挑战。陶瓷纤维气凝胶，特别是莫来石（3Al₂O₃·2SiO₂）基气凝胶，凭借其低密度、高孔隙率、低热导率及优异的高温稳定性，成为热防护系统的重要候选。然而，现有陶瓷气凝胶的激光防护主要依赖单一机制，或靠高反射，或靠烧蚀吸热，或靠多孔隔热，这难以应对激光功率密度与光斑尺寸持续提升带来的超高温冲击。在大光斑高能激光照射下，气凝胶优异的隔热性能反而使热量滞留于表面，形成局部超高温区，导致材料迅速熔融、气化乃至结构崩塌。因此，发展能够协同整合高反射、高效隔热与耐烧蚀多重机制的轻质陶瓷气凝胶，已成为该领域亟待突破的关键科学问题。

三、文章亮点

1. 多级结构原位构筑与性能协同提升：通过静电纺丝结合冰模板法制备莫来石纳米纤维气凝胶骨架，再利用溶剂热反应在纤维表面原位生长TiO₂纳米线，形成三维互穿的"纤维-纳米线"多级网络，实现压缩强度提升约70%、热稳定性显著增强。

2. 光学-热学性能双重突破：TiO₂纳米线网络将表面反射率提升至97.25%，激光能量吸收率降低48.3%，同时作为高效红外屏蔽体将1000 °C热导率降低30.8%、火焰加热背面温度降低51.3 °C，实现“高反射-强隔热”协同。

3. 极端激光防护能力：在300 W/cm²高能激光下稳定防护30秒并耐受多次重复打击。即使在500 W/cm²高功率密度下持续照射30秒，表面仍无显著损伤，性能优于目前报道的多种先进陶瓷基激光防护材料。

四、研究结果及结论

研究团队采用“静电纺丝-冰模板组装-原位水热生长”三步策略制备了莫来石纳米纤维/TiO₂纳米线（MNF-TNW）复合气凝胶（图1）。首先，通过静电纺丝制备莫来石纳米纤维，经冰模板定向组装获得三维蜂窝状多孔骨架；随后，在纤维表面沉积TiO₂晶种层，并于190 °C下进行水热反应，促使纳米线沿轴向快速生长，最终形成致密且均匀的三维纳米线网络。

图1 MNF-TNW气凝胶的制备工艺示意图。

微观表征证实（图2），纳米线直径精细、线性分布均匀，高分辨TEM显示其晶面间距0.326 nm，对应金红石相TiO₂ (110)晶面。气凝胶呈类似蜂窝状多孔结构，复合气凝胶纤维表面被纳米线完全覆盖，纳米线在三维网络中有效生长。

图2 MNF-TNW气凝胶在（a1-2） 170℃、（b1-2） 180℃和（c1-2） 190℃下不同倍率下的扫描电镜（SEM）图像；（d-f） MNF-TNW气凝胶的TEM图像和各元素对应的EDS图像；（g-h）不同放大倍数下MNF-TNW气凝胶的SEM图像。

XRD与Raman光谱进一步确认了以金红石相为主的混相TiO₂成功包覆。BET测试表明，纳米线的引入将平均孔径从16.75 nm细化至3.52 nm，比表面积从16.91 m²/g提升至64.26 m²/g，构筑了"介孔-大孔"共存的多级孔结构。

图3 (a)纳米线生长前后气凝胶的XRD图谱和(b)拉曼光谱；(c) MNF和(d) MNF-TNW气凝胶的N₂吸附-解吸等温线和孔径分布。

热学与力学测试显示，复合气凝胶在25–1400 °C范围内质量损失仅2.70%（远低于纯样品的7.21%），表现出优异的热稳定性；10%应变下压缩强度达0.34 MPa，较纯莫来石气凝胶提升约70%，这得益于纳米线在纤维间的"桥接"作用有效抑制了骨架滑移。

图4 (a) MNF-TNW气凝胶的TG-差示扫描量热曲线；(b) 纳米线生长前后气凝胶的典型应变-应力曲线；(c) 复合气凝胶抗压机理示意图。

隔热测试表明，TiO₂纳米线赋予材料优异的高温隔热性能，1000 °C下热导率从0.0861降至0.0596 W·m^-1·K^-1，降幅达30.8%；丁烷火焰加热5分钟后，背面温度较纯莫来石气凝胶低51.3 °C。红外光谱证实，纳米线在2.5–7 μm波段显著提升了红外屏蔽与消光能力，有效阻断了高温辐射传热路径。

图5 (a) MNF和MNF-TNW气凝胶在25°C和1000°C时的热导率；(b) MNF和MNF-TNW气凝胶的红外透射光谱和(c)消光系数；使用丁烷燃烧器加热实验5 min时，MNF-TNW气凝胶(d)和MNF气凝胶(e)背面的红外图像。

在激光烧蚀实验中，MNF气凝胶在300 W/cm²下0.2秒即出现损伤，3秒完全穿孔；而MNF-TNW气凝胶在同等条件下稳定防护30秒，且能经受两次30秒的重复打击。当功率密度提升至500 W/cm²并持续30秒，材料表面仍无宏观损伤。机理研究表明，TiO₂纳米线通过三重机制协同防护：一是高反射与强散射减少激光能量吸收；二是纳米线网络阻挡红外辐射、细化孔隙抑制对流与辐射传热；三是在极端热流下，TiO₂纳米线通过熔融、气化等相变过程吸收大量沉积热量，以牺牲性消耗延缓底层莫来石骨架的热失效。

图6 MNF aerogels和MNF-TNW aerogels遭功率密度300 W/cm²激光辐照过程图像及微观形貌图（a）MNF aerogels激光辐照过程图，（b）MNF-TNW aerogels激光辐照1s图像，（c）辐照30s图像，（d）首次辐照30s后形貌，（e）第二次辐照30s后形貌；（g）MNF-TNW激光防护机理示意图。

综上，该研究提出的原位生长策略成功破解了陶瓷气凝胶"轻质"与"抗激光"难以兼得的矛盾，为极端环境下多层复合结构轻质热防护材料的设计与制造提供了重要理论依据和技术路径。

五、作者及研究团队简介

支婉欣（第一作者），华侨大学材料科学与工程学院硕士研究生，研究方向为陶瓷纤维气凝胶高能激光防护强化及多功能一体化研究。

张宝杰（通讯作者），华侨大学材料学院讲师，硕士生导师。主要从事纤维基材料的可控制备及其在隔热、电磁波吸收等方向的研究。

马琛（通讯作者），华侨大学材料学院副教授，福建省优青，材料系系主任。2020年北京理工大学博士毕业，期间在美国凯斯西储大学联合培养，长期从事高温高能热防护涂层的相关研究，作为负责人主持装备预研教育部联合基金、国自然青年基金、XX预研应用创新项目等课题10项；以第一/通讯作者在J. Adv. Ceram.、Nano Res.、Chem. Eng. J.、Carbon、Compos. Part B等期刊发表学术论文30余篇；获授权国家发明专利10余项；获《陶瓷学报》优秀青年编委、中国复合材料学会优秀博士学位论文提名奖等荣誉称号。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Zhang B, Zhi W, Duan J, et al. Mechanically robust SiC aerogel with both electromagnetic absorption and pollutant adsorption via microtube/nanowire structure design. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(11): 9221181. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221181

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。