热防护材料在航空航天、能源工业、高温制造等多个领域有着至关重要的应用。然而，在高温环境中，如何让热防护材料既能扛得住“外力冲击”，又挡得住“热量侵袭”？
近日，南方科技大学材料科学与工程系博士后张振邦及所在研究团队，受珍珠母结构启发，成功研制出一种仿生多孔陶瓷材料，如同为高温环境中工作的设备披上一件“隔热铠甲”，不仅隔热性能优异，还能承受高强度机械载荷。相关成果发表于《先进材料》，为新型热防护材料设计提供了新思路。
仿生多孔陶瓷材料。研究团队供图各式各样的气凝胶材料是当前使用最为广泛的热防护材料。绝大多数气凝胶材料为了提高隔热性能而不断追求更高的孔隙率。然而，过高的孔隙率导致孔隙之间的支撑结构连贯性差，进而严重削弱了其机械强度。因此，隔热性能与力学性能之间的矛盾仍是热防护材料研究中的一大难题。
天然珍珠母是一种包裹在贝壳内的材料，有着层状的“砖-泥”微观结构，与人造材料不同，这种特殊的结构使珍珠母具备了强度和韧性相结合的特性。
研究示意图。南科大供图
为此，研究人员受珍珠母材料结构的启发，通过纳米纤维辅助蒸发自组装技术，将氧化铝微米片进行取向排布制备仿珍珠母复合薄膜，再将所得复合薄膜进行层叠和烧结，制备得到仿珍珠母多孔陶瓷。其内在机理是仿珍珠母多孔陶瓷内部由矿物桥连接的氧化铝微米片构筑而成，其中的层状多孔结构使材料具备了较好的隔热性能。
传统的热防护材料由于其内部有很多的空隙，导致力学性能不足，在后续的实际使用中容易损坏。“当材料承受载荷时，大量的矿物桥将载荷高效均匀地沿微米片分散开来，缓解了应力的局部集中，进而提高了材料的力学性能，弥补了传统热防护材料中因多孔隙导致的力学性能不足的问题。”论文第一作者张振邦介绍。
传统的热防护材料常常面临隔热性能越好，热量越容易在表面“堆积”，导致局部高温熔毁的难题。研究团队提出的新型热防护材料具有各向异性的特性，在面外方向上具有较好的隔热性能，在面内方向上具有一定的导热性能。
“就像是给高温环境中工作的设备装上了‘隔热铠甲’。”张振邦表示，研究团队提出的新型防护材料在面对一个外界局部热源的时候，它就可以有效的将局部热源的热量在外表面传导，避免热量的局部集中，以防材料承受过多热量或过早地发生损坏。
防火隔热性能结果显示，该材料的全陶瓷组分使其在1300度高温下仍可保持结构的完整性，在火焰灼烧十分钟后，该材料的背面温度仍可维持在较低的水平，进一步证明了仿珍珠母多孔陶瓷作为热防护材料在实际应用中具有较好的防火隔热性能。
未来研究团队还将进一步优化材料性能，探索材料在耐紫外辐照、电磁屏蔽、辐射制冷、损伤自监测等功能上的集成，实现新型热防护材料的“按需定制。”
相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202506308
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