气凝胶复合材料兼具轻质、高强、超绝热特性，是高温热管理领域的核心材料。ZrO2−SiO2杂化气凝胶凭借双网络互穿结构，可有效抑制高温下孔结构坍塌与晶型转变，是理想的高温隔热基体，但纯气凝胶脆性大、面外力学性能差，难以满足严苛工况服役需求。传统短切纤维或针刺毡增强方案，易出现纤维沉降、面外承载弱、热传导通道多等问题，制约大尺寸、复杂构件的制备与应用。
针对上述瓶颈，研究团队创新提出石英纤维预制体结构工程策略：
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将石英纤维棉梳理后，在限域模具中层叠预压，赋予纤维预制体面外回弹特性，可反向抵消气凝胶干燥收缩，实现纤维与气凝胶基体的强界面结合；
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结合真空浸渍、溶胶-凝胶与超临界干燥工艺，制备出石英纤维增强ZrO2−SiO2气凝胶复合材料（QFZSA）。
核心突破与关键性能轻质低收缩，适配大尺寸构件制备复合材料密度仅0.16–0.24g·cm³，随石英纤维体积分数提升，制备收缩率从16.7% 降至近乎0，纤维回弹效应显著抑制尺寸畸变，可稳定制备大尺寸、高精度构件。
面外力学性能大幅跃升，强韧兼备得益于预制体回弹支撑与界面协同作用，复合材料10%应变下抗压强度近1MPa，弯曲强度达1.39MPa，面内拉伸、剪切强度分别为1.55MPa、0.4MPa；经50次压缩-释放循环，永久变形仅0.95%，最大应力保持率超81%，抗疲劳性能优异。
图1 材料力学性能评价
超高温超低导热，隔热性能国际领先。
层叠纤维结构高效阻断固体传导与辐射传热，复合材料在1000℃热导率低至0.036W/m·K，1200℃仍保持0.070W/m·K；1300℃火焰烧蚀测试中，5mm厚试样背温仅388℃，隔热效果优于传统莫来石纤维、玻璃纤维增强气凝胶复合材料。
图2 材料隔热性能评价
高温热稳定优异，结构完整性优异。
经1000℃高温处理后，气凝胶基体仍保留多孔纳米骨架；1200℃处理后热导率增幅可控，无明显结构粉化、开裂，可满足长期高温服役要求。借助X射线三维CT、扫描电镜等表征手段，团队清晰揭示了纤维面内无序、面外层叠的排布特征，以及纤维-气凝胶紧密结合的界面结构，为材料性能调控提供了理论依据。所制备的前驱体溶胶室温稳定期超3周，适配工业化批量制备，解决了传统溶胶快速凝胶、难以成型大尺寸构件的难题。
图3 热处理后材料评价
创新价值与应用前景：
本研究突破了传统纤维增强气凝胶“力学性能与隔热性能难以兼顾”的技术瓶颈，通过纤维预制体结构设计，同步实现轻质、高强、超绝热、高温稳定四大核心优势，性能指标远超已报道的ZrO2−SiO2气凝胶复合材料。
该成果可广泛应用于航空航天热防护、高端装备隔热、工业高温窑炉保温等前沿领域，为极端环境热管理材料的设计与工程化应用提供全新技术路径，彰显了山东工陶院在先进陶瓷气凝胶材料领域的原创能力与国际竞争力。
研究团队：
山东工陶院防隔热研究团队深耕气凝胶材料领域多年，在超低导热气凝胶、柔性气凝胶、大尺寸异形气凝胶、气凝胶材料加工新技术等方向积累了丰硕的实践经验，承担了多项国家课题及省部级项目的研发任务，突破了气凝胶复合材料制备工艺中多项关键技术。近年来，该团队秉持技术创新和产研结合理念，气凝胶创新成果转化生产，广泛应用于高端装备等领域。
来源丨山东工陶院，中材高新
学科进展 | 石英纤维增强氧化锆-二氧化硅气凝胶复合材料领域取得进展