carbon_art 材料分析与应用

在恶劣环境中作为隔热材料，亟需兼具足够弹性与卓越耐高温性能的先进陶瓷海绵材料。然而，陶瓷材料在超轻量化与弹性化系统中的发展，严重受限于其脆性和缺陷敏感性。本文，哈尔滨工业大学Chao Sui等研究人员在《Small》期刊发表名为“Ultralight, Elasto-Flexible, and High-Temperature Resistant Ceramic Nanofiber Sponges for Thermal Superinsulation”的论文，研究通过可扩展的溶液吹纺工艺，基于钇稳定氧化锆（YSZ）纳米纤维制备出弹性柔韧、耐高温且具层状结构的陶瓷海绵。

YSZ纳米纤维具有细小晶粒尺寸（1300℃下≈50纳米），为材料的力学与热学性能提供关键支撑。通过原位沉积形成的YSZ纳米纤维多孔三维海绵具有超轻密度（≥5 mg cm⁻³）、80%可逆压缩应变、高抗疲劳性（在50%应变下经1000次循环后永久损耗小于1.59%），且能从大变形中完全恢复，泊松比接近零。此外，YSZ纳米纤维海绵展现出-196至1300℃的恒温超弹性范围、卓越的弯曲柔韧性、低热膨胀系数（1300℃时为9.26×10⁻⁶ °C⁻¹），以及优异的隔热性能（导热系数低至0.028 W m⁻¹ K⁻¹）。这些罕见的综合特性与聚合物/碳材料和传统陶瓷气凝胶形成鲜明对比，使陶瓷海绵成为许多高端应用的理想选择。

综上所述，作者通过高效且低成本的溶液纺丝法，制备出具有层状结构的弹性柔韧、抗疲劳且耐高温的YSZ纳米纤维海绵。该YSZ纳米纤维海绵展现出卓越的综合性能：超低密度（≥5 mg cm⁻³）、高达80%的可恢复压缩应变、优异的抗疲劳性（在50%应变下经1000次压缩循环后永久变形小于1.59%），以及与应变无关的近零泊松比。此外，本研究的YSZ纳米纤维海绵在高达1300℃的温度范围内保持超弹性特性，该性能对其他多孔陶瓷材料仍具挑战性。得益于层状结构与全陶瓷组分，该材料展现出优异的高温隔热性能，热导率低至0.028 W m⁻¹ K⁻¹。本研究为极端环境下超轻弹性陶瓷系统的设计开发提供了新思路，拓展了陶瓷材料在超轻弹性系统中的性能探索与应用前景。该陶瓷海绵合成技术有望推广至其他氧化物乃至非氧化物陶瓷体系，为新型超轻弹性陶瓷系统的研发创造广阔机遇。

文献：

https://doi.org/10.1002/smll.202509204