浙江大学《自然·通讯》：新型硅酮气凝胶，超弹、辐射制冷、防火隔热三合一！

• 2026-09-28

气凝胶因其极低密度和优异隔热性能，自20世纪30年代问世以来在热管理与热防护领域备受关注。然而，传统气凝胶面临根本性矛盾：陶瓷、碳和金属气凝胶虽本征不可燃，却脆性大、成本高，且火焰暴露后隔热效率显著衰减；聚合物气凝胶虽成本低、柔韧性好，却易在火焰下结构坍塌、迅速丧失隔热能力。硅酮气凝胶因Si—O键主链兼具热稳定性和机械柔韧性，且可陶瓷化，但其现有体系仍难以同时实现高孔隙率、机械回弹性和持续热防护——长链前驱体路线易孔塌缩，短链溶胶-凝胶路线则形成脆性网络；火焰下陶瓷化层热导率较高且常开裂，反而增强热传递。 针对上述难题， 浙江大学 柏浩教授 、 高微微副教授 合作， 构建了一种由连续硅酮基体与原位形成的二氧化硅网络增强的混合硅酮气凝胶。该框架稳定了高孔隙结构，使气凝胶兼具低热导率和显著机械回弹性 。 火焰暴露下，孔壁发生原位纳米中空化陶瓷化，生成大量纳米孔，形成稳定多孔陶瓷屏障而非致密导电残渣。与聚合物气凝胶通常因火焰导致隔热恶化的现象相反，该气凝胶陶瓷化后热导率从约28.6降至约22.8 mW/(m·K)。10 mm薄板在约1300°C火焰下可使其背面温度至少在25分钟内保持在120°C以下，远超传统聚合物气凝胶（相同条件下5分钟内即超过250°C）。此外，该气凝胶还实现了7.7°C的日间辐射制冷温降，太阳反射率95.4%，红外发射率96.4%。这项工作为构建兼具持续热防护与高效热管理的多功能气凝胶建立了通用策略。相关论文以“Mechanically resilient, hybrid silicone aerogel for thermal insulation, daytime radiative cooling and sustained flame protection”为题，发表在Nature Communications上。 这一气凝胶的制备原理与核心机制，源于乳液液滴与二氧化硅溶胶的协同组装（图1a）。研究者以DBSA同时作为表面活性剂和酸催化剂制备D4微乳液，在油水界面发生阳离子开环聚合（图1b），生成羟基锚定的高分子量硅酮链；随后引入TEOS水解缩合形成二氧化硅溶胶，并与硅酮链缩合实现界面粘附（图1c）。冷冻过程中，冰晶生长驱动乳液液滴与二氧化硅溶胶共组装（图1d），液滴融合为连续硅酮相，二氧化硅则沿液滴界面互连成增强骨架，形成混合孔壁结构（图1e），最低密度可达约0.012 g/cm³。这一结构赋予气凝胶独特的自适应热防护行为：火焰下，二氧化硅网络作为稳定支架保持结构完整，而硅酮基体热降解氧化，通过原位纳米中空化在胞壁内留下大量约100 nm的纳米孔（图1f、1g）。这些纳米孔与空气分子平均自由程（约70 nm）相当，通过克努森效应抑制气相传导并降低固相传导，从而避免传统陶瓷化层热导率升高的弊端。 图1 | 硅酮气凝胶制备及原位纳米中空化过程示意图。 a 制备过程示意图。b D4乳液液滴开环聚合（ROP）示意图。c 水相反应示意图，包括TEOS的水解、缩合和接枝。d 冷冻组装过程及所得混合孔壁示意图。e 混合孔壁示意图。f 原位纳米中空化示意图。g 火焰诱导的混合孔壁演化示意图。 气凝胶的机械行为并非简单取决于二氧化硅含量，而更取决于其在硅酮基体内的空间组织方式（图2a）。二氧化硅不足会导致干燥时严重收缩；适中含量与适当反应时间下形成兼具刚性和应力耗散的混合孔壁，获得高孔隙率和可逆弹性变形；过量二氧化硅则导致脆性断裂；反应时间过长则产生局部脆性区域，引发塑性变形（图2b、2c）。图2d进一步以反应时间与交联剂/直链硅酮摩尔比的相图，将体系划分为四个区域。直接掺杂二氧化硅纳米颗粒的对照样品出现严重收缩和框架坍塌，证明简单颗粒填充无法重现该结构。界面硅醇缩合形成的共价偶联是实现有效应力传递、抑制孔塌缩的关键。通过调节乳液浓度，孔隙率可从75%提升至99%。 图2 | 硅酮气凝胶的形成与调控。 a 在二氧化硅不足、适中、过量和过度生长条件下形成的孔壁结构示意图。米色表示富硅酮基体，白色表示二氧化硅框架。b 对应光学图像和SEM图像。c 弹性变形、弹性变形、脆性断裂和塑性变形的光学图像。d 反应时间与交联剂/直链硅酮摩尔比的相图，根据孔隙率和机械性能分为四个区域。n表示物质的量。 优化后的气凝胶具有明确的蜂窝状结构（图3a、3b），孔径主要分布在10—100 μm。TEM显示连续硅酮基体内存在纳米级相分离，形成“海-岛”形态（图3c），EDS映射证实二氧化硅网络优先分布在富硅酮域周围（图3d）。力学上，气凝胶可从95%压缩中完全恢复（图3e），承受拉伸、扭转和卷起（图3f），且从第100次到第10000次循环应力-应变滞后环几乎不变，表现出出色的抗疲劳性能（图3g）。室温热导率低至28.6 ± 1.2 mW/(m