针对这一难题，东华大学闫建华教授课题组合作开发了一种创新的共晶界面工程策略，成功制备出三维弹性钛酸铝（Al₂TiO₅）纳米纤维气凝胶。该材料密度仅为25 mg·cm⁻³，在25℃和1000℃下分别实现了0.033和0.103 W·m⁻¹·K⁻¹的超低热导率。更为重要的是，该气凝胶能够抵抗1300℃的直接火焰冲击而不发生结构破坏，并在50%应变的重复压缩后仍能保持90%的弹性恢复。这项研究不仅展示了可规模化生产弹性陶瓷气凝胶的可持续路径，更建立了一种全新的材料设计范式，将脆性共晶氧化物转化为用于航空航天和能源领域的轻质弹性热超绝缘体。相关论文以“A Eutectic-interface Engineered Al₂TiO₅ Nanofibrous Aerogel for Superinsulation Under Extreme Conditions”为题，发表在Advanced Materials上。

研究人员开发了一种全水相、可卷对卷规模化生产的制造范式，将水性无机铝溶胶合成与线性静电纺丝技术和三维卷曲堆叠技术相结合。这一方法直接形成了共晶Al₂O₃-TiO₂（Al₂TiO₅）纳米纤维气凝胶，绕过了传统陶瓷气凝胶对复杂模板、冷冻干燥或超临界干燥的长期依赖。通过在溶胶中精确调控pH值和络合剂比例，并添加0.5 wt%的聚氧化乙烯（PEO）以增强链缠结和可纺性，实现了稳定的射流。该线性静电纺丝装置通过电压和收集距离的动态匹配，促进了纳米纤维在收集器上的可卷曲三维卷曲堆叠（图1b），形成了孔隙率超过95%、高比表面积的轻质分级多孔结构。经过煅烧处理后，纤维内部的TiO₂和Al₂O₃原位反应生成Al₂TiO₅。该工艺实现了6 m/min的单线生产速度，厚度偏差小于±3%，并可精确控制密度梯度在0.023-0.27 g/cm³范围内。值得注意的是，退火后的气凝胶表现出卓越的弹性和韧性，可直接用作独立的阻燃毯，并制成各种形状的规则块体（图1d）。材料内部的协同效应体现在：TiO₂主要作为热辐射阻挡层，Al₂TiO₅的共晶界面层确保高温稳定性，Al₂O₃骨架提供机械增强，而整体纳米纤维结构有效抑制热对流和传导（图1e）。在热导率测试中，该气凝胶在1000℃下热导率仅为0.103 W·m⁻¹·K⁻¹（图1f），与其他材料对比显示其兼具超低热导率和优异热稳定性（图1g）。

图1.共晶Al₂TiO₅陶瓷纳米纤维气凝胶的卷对卷制造及其热传输机制。(a) 全水基线性静电纺丝工艺示意图，用于连续生产三维纳米纤维气凝胶。(b) 纳米纤维在收集器上形成可卷曲、三维卷曲堆叠的照片。(c) 经煅烧处理后的Al₂TiO₅纳米纤维气凝胶卷材。(d) 独立式阻燃毯的柔韧性和可加工性展示。(e) 材料多级结构中的热传输机制图解：TiO₂作为辐射阻挡层，Al₂TiO₅共晶界面提供高温稳定性，Al₂O₃骨架提供机械增强，纳米纤维网络抑制对流和传导。(f) 气凝胶在25°C至1000°C范围内的热导率测试结果。(g) 本工作Al₂TiO₅气凝胶与其他已报道隔热材料在最高使用温度与热导率方面的性能对比。 

通过扫描电子显微镜观察，气凝胶呈现出由随机堆叠、相互连接的纳米纤维构成的三维网络结构（图2a）。能谱分析证实了Al和Ti元素在整个纤维基质中的均匀分布（图2b）。高分辨透射电子显微镜对900℃退火的纤维进行分析，识别出晶格间距为0.477 nm，与Al₂TiO₅理论（021）晶面间距（0.476 nm）相匹配，这证实了Al₂TiO₅的原位形成（图2c）。溶胶的流变学表征显示，添加PEO后黏度显著提升并表现出剪切变稀行为（图2d和2e）。孔隙率测试进一步确认了材料的高孔隙特性（图2f）。X射线衍射分析支持了相转变过程：700℃时Al₂O₃和TiO₂衍射峰清晰可辨且无Al₂TiO₅，而在900℃退火后，特征性的Al₂TiO₅峰出现，前驱体峰减弱（图2g）。傅里叶变换红外光谱显示了900℃下Al-O-Ti振动的增强，证实了向目标共晶相的逐步结晶过程（图2h）。热重分析阐明了热分解路径，900℃以上质量稳定，表明有机物完全去除并形成热力学稳定的Al₂TiO₅相（图2i）。

图2.共晶纳米纤维气凝胶的结构与功能表征。(a) 光滑共晶纳米纤维的扫描电镜形貌，插图为气凝胶照片。(b) 透射电镜及能谱面分布图。(c) 共晶纳米纤维的高分辨透射电镜形貌。(d) 有无PEO的两种溶胶的粘度演变曲线。(e) 有无PEO的两种溶胶的流变剪切变稀行为。(f) 气凝胶的孔隙率测试结果。(g) 两种不同温度煅烧后纳米纤维的X射线衍射图谱。(h) 两种不同温度煅烧后纳米纤维的傅里叶变换红外光谱图。(i) 热重分析显示前驱体纳米纤维的热分解路径。 

在机械性能方面，当1 cm厚的气凝胶被压缩至50%应变时，纤维间空隙减小，结构致密化，而力释放后气凝胶迅速回弹，纤维网络基本恢复原始结构，表现出显著的结构弹性和抗塑性变形能力（图3a-3c）。大规模生产的气凝胶在持续压缩下保持结构完整性和优异的形状恢复能力，没有永久塌陷的迹象（图3d）。经过短暂热压后，气凝胶形成了具有良好内聚力和可操作性的气凝胶毡，仍保持优异的柔韧性和拉伸强度，能够悬挂100 g的重物；原始状态的气凝胶超轻，可轻松置于树叶等 delicate 基底上而不引起变形（图3e）。该材料在宽温度范围内展现出卓越的热机械稳定性：既能承受1300℃的直接火焰冲击并保持可压缩性和完全弹性恢复，也能在液氮（-196℃）浸泡后实现可恢复压缩，展示了从低温到超高温的可靠弹性（图3f）。疲劳测试表明，在50%压缩应变下，最大压缩应力在首次循环时约为25 kPa，并在第50和100次循环时稳定在17-18 kPa范围内，显示出机械性能约在50次循环后趋于稳定（图3g）。弯曲测试显示最大弯曲曲率达到50%，远超典型脆性陶瓷（图3h）。拉伸测试表明，TiO₂纳米颗粒的掺入显著增强了拉伸强度（图3i）。

图3.力学表征。(a-c) Al₂TiO₅陶瓷纳米纤维气凝胶在压缩下的微观结构响应。(d) 大规模生产气凝胶的宏观力学测试进一步证实了其优异的回弹性。(e) 热压后形成的内聚且可处理的块体气凝胶毡展示，以及Al₂TiO₅气凝胶的超轻特性。(f) Al₂TiO₅气凝胶从低温到超高温宽温域内卓越的热-力学稳定性展示。(g) 不同应变下气凝胶的循环压缩应力-应变曲线。(h) 弯曲测试。(i) 不同应变下气凝胶的拉伸应力-应变曲线。 

在阻燃和热绝缘性能的定量评估中，一块3.5 mm厚的气凝胶毡在承受700℃热侧和0.9 MPa压力（模拟机械载荷）的条件下，10分钟后冷侧温度稳定在仅98.59℃，展示了优异的温度梯度（图4a）。同时，气凝胶在0.9 MPa压力下保持结构完整性，未发生压实或塌陷（图4b和4c），证实了其在严苛工程应用中的优异抗压强度和稳定性。在模拟锂离子电池热失控的 nail 穿透测试中，用气凝胶包裹的电池模块成功抑制了随之而来的爆炸，保持完好无损，有效阻隔了火灾和热传播（图4d-4f）。红外热成像提供直接证据：气凝胶包裹模块的表面温度显著低于未保护模块，裸电池的平均温升速率高达60.27℃/s，而气凝胶保护电池仅为12.79℃/s，突显了气凝胶在抑制温度升高和控制热危害方面的重要作用（图4g）。进一步地，在模拟焊接操作的极端工业场景中，将气凝胶毡直接放置在约1800℃的熔融钢渣下方，它承受住了这种强烈的热冲击，没有熔化或结构破坏，表现出卓越的隔热性能（图4h-4j）。钢渣温度评估进一步确认了气凝胶的隔热效果（图4k）。

图4.阻燃和隔热性能：从实验室测试到实际应用过渡。(a) 评估气凝胶隔热性能的标准防护热板测试。(b) 施加0.9 MPa压力持续10分钟后观察到的冲击效应。(c) 0.9 MPa压力下气凝胶的厚度变化。(d-f) 利用气凝胶包裹的电池针刺安全测试。(g) 有无气凝胶包裹的电池温度对比。(h-j) 涉及气凝胶的焊接钢渣演示。(k) 有无气凝胶情况下的钢渣温度评估。

总而言之，通过溶胶-凝胶化学、低温共晶工程和可规模化纤维加工的集成，研究人员成功创造了连续纳米纤维Al₂TiO₅气凝胶。该材料兼具超低高温热导率、卓越的热机械韧性、结构均匀性以及批次间一致性，并已在大规模样品上得到验证。这项工作不仅为工业高温绝缘和电化学存储安全领域的重大挑战提供了即时解决方案，更从根本上为共晶氧化物陶瓷开创了一种全新的形态范式（纳米纤维气凝胶）和颠覆性的合成路径（低温化学合成），为设计耐用的柔性热超绝缘体开辟了新前沿，具有重要的科学价值和广阔的工程应用前景。