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研制了一种具有类珍珠母结构的仿生多孔陶瓷，可以实现隔热性能和力学性能的完美结合，相关论文以“Anisotropically Thermal-Protective Porous Ceramics Enabled by Nacre-Like Framework”为题发表在国际期刊 Advanced Materials上。

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。当前最为广泛使用的热防护材料是各种式样的气凝胶材料。其中，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。反观自然界，有多种天然生物材料通过其精巧的多级微纳结构设计兼顾了功能性能与力学性能。

受天然珍珠母启发，研究人员制备了一种内部结构独特的仿珍珠母层状连续多孔材料，其兼具较好的力学性能和各向异性隔热性能。首先，研究人员发展了一种自下而上的组装策略，以制备仿珍珠母多孔陶瓷（图1）。通过纳米纤维辅助蒸发自组装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。其内部高度有序排列的氧化铝微米片通过矿物桥连接，构筑出仿珍珠母层状连续多孔结构。

图1. 仿珍珠母多孔陶瓷的制备及表征 a-c）仿珍珠母多孔陶瓷的制备示意图；d）仿珍珠母复合薄膜的实物图；e）仿珍珠母复合薄膜的截面扫描电镜图片；f，g）仿珍珠母多孔陶瓷的实物图；h，i）仿珍珠母多孔陶瓷的截面扫描电镜图片

研究人员系统研究了不同烧结温度对仿珍珠母多孔陶瓷微观结构的影响，以及该微观结构对材料力学和热学性能的影响，从而最终实现对仿珍珠母多孔陶瓷的微观结构和性能的可控调控（图2）。优化后的仿珍珠母多孔陶瓷展现出隔热性能与力学承载性能相结合的特性。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。同时，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。

图2. 仿珍珠母多孔陶瓷的力学和隔热性能 a）不同烧结温度制备得到的仿珍珠母多孔陶瓷的截面扫描电镜图片；b）不同烧结温度制备得到的仿珍珠母多孔陶瓷的压缩力学性能；c）不同烧结温度制备得到的仿珍珠母多孔陶瓷的隔热性能；d）不同温度下仿珍珠母多孔陶瓷的隔热性能；e，f）仿珍珠母多孔陶瓷与多种热防护材料的性能对比图

同时，制备得到的仿珍珠母多孔陶瓷还具有独特的各向异性导热性能（图3），其面外方向具有极低的导热系数，面内方向具有较高的导热系数。这种各向异性可以使材料具备更加高效的热防护和热管理功能，具有非常重要的应用价值。一方面，面外方向上较高的隔热性能可以使材料较好地隔绝外部的热量。另一方面，面内方向上相对较高的导热性能可以使材料有效地将热量分散开来，避免了热量在外表面的局部集中。

图3. 仿珍珠母多孔陶瓷的各向异性导热性能 a）仿珍珠母多孔陶瓷的面内和面外导热系数；b）不同温度下仿珍珠母多孔陶瓷的导热性能各向异性比；c）仿珍珠母多孔陶瓷与多种热防护材料的导热性能各向异性的对比图；d，e）仿珍珠母多孔陶瓷中导热性能各向异性的机理示意图；f，g）仿珍珠母多孔陶瓷以面内和面外方向放置于热台后的温度变化

此外，研究人员还对制备得到的仿珍珠母多孔陶瓷进行了防火隔热性能的研究（图4）。该材料的全陶瓷组分使其在高温下仍可保持结构的完整性。同时，通过热红外相机观察其背面温度变化可以发现，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。这些结果都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。

图4. 仿珍珠母多孔陶瓷的防火隔热性能 a）仿珍珠母多孔陶瓷的防火性能测试示意图；b，c）仿珍珠母多孔陶瓷在防火测试中背表面的温度变化；d）仿珍珠母多孔陶瓷表面在高温前后的扫描电镜图片

该项工作提出了一种自下而上的组装策略，以制备大尺寸仿珍珠母多孔陶瓷。这种仿生多孔陶瓷材料内部具有独特的层状连续多孔结构，使其兼具较好的力学性能和隔热性能。此外，该材料还具有各向异性的导热性能，在有效隔热的同时，可以避免热量在材料外表面的局部集中。这些优势使得这种仿珍珠母多孔陶瓷有望作为承载-隔热一体化材料应用于多种热防护领域。

张振邦为论文第一作者，俞书宏院士为论文通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。本研究得到了科技部国家重点研发项目、国家自然科学基金、新基石研究员项目、深圳市科技计划、南科大科研启动及启动配套经费等项目的资助。

来源：南方科技大学

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202506308