摘要：为应对建筑 、 工业 、以及航空航天等 领域在高温环境下对隔热与节能的 多 重需求，开发兼具高温稳定性、低热导率和良好力学性能的新型材料成为热管理技术发展的关键方向。传统陶瓷材料虽具备出色的耐热性和化学稳定性，但其高脆性、高密度及加工困难等问题，限制了其在可穿

为应对建筑 、 工业 、以及航空航天等 领域在高温环境下对隔热与节能的 多 重需求，开发兼具高温稳定性、低热导率和良好力学性能的新型材料成为热管理技术发展的关键方向。传统陶瓷材料虽具备出色的耐热性和化学稳定性，但其高脆性、高密度及加工困难等问题，限制了其在可穿戴隔热、复杂构型制造及大面积应用中的实用性。近年来，多孔陶瓷气凝胶和复合涂层虽然在隔热性能方面取得了一定突破， 例如国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦研究员等人提出了 “ 火焰重生策略 ” （ fire-reborn strategy ），通过自牺牲聚合物重构二氧化硅气凝胶与氧化铝陶瓷纤维，构建仿生鸟巢状多孔网络结构，实现了陶瓷涂层的低密度、低热导和高可压缩性 （ Adv . Funct . Mater . 2023 , 33 , 2309148 ） 。然而，该方法在超高温环境下仍存在聚合物分解后残留陶瓷结构力学强度不足、孔径过大等限制，难以在高负载或极端热流环境中稳定应用。 因此，研发结构可调、轻质强韧、可规模化制备的多功能热防护材料，对于提升高温环境下的能效管理具有重要意义。

针对上述问题，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所（苏州纳米所）王锦研究员团队联合西北工业大学叶信立副教授、南通大学张俊雄副教授等，提出了一种基于聚合物成形策略（Polymer Shaping Strategy,PSS）的铝陶瓷纤维增强型陶瓷基复合材料（ACF-CMC）。该材料采用 HPMC 水溶液辅助，将铝陶瓷纤维稳定分散于铝溶胶中，在不依赖复杂设备条件下实现低成本、可扩展的大面积涂层与自支撑体制备。通过优化组分比例与多孔结构设计， ACF-CMC 不仅在 1300°C 极端火焰条件下仍能保持高达 1180.5°C 的热阻温差，同时具备优异的太阳反射率（ 0.785 ）与红外发射率（最高 0.910 ），实现 7.3°C 的日间被动辐射冷却效果。该策略突破了传统陶瓷材料 “ 刚 - 脆 - 重 ” 限制，为建筑节能、工业防护与极端热环境应用提供了全新材料解决方案。

研究团队采用 PSS 制备出铝陶瓷纤维增强的陶瓷基复合材料。通过将 ACF 、铝溶胶与 HPMC 水溶液混合后干燥，可分别获得自支撑陶瓷体或涂覆型陶瓷涂层。图中展示了 ACF-CMC 合成示意图、大尺寸 30×30 cm 均匀涂层、可悬浮于花瓣上的轻质自支撑体，以及应用于房屋外墙的降温示意。该材料具有密度低 （ ~0.13 g/cm³ ）、热导率低（ ~0.036 W/ m·K ）、成本低等特点，适用于高温隔热和建筑外墙被动辐射冷却（ PDRC ）等场景 （图 1 ） 。

图 1 ACF-CMC 的制备过程及宏观应用展示

研究团队制备了不同组分比例的七种 ACF-CMC 样品，图 2 中分别展示了原始陶瓷纤维与三种代表性样品（ ACF-CMC-1 、 3 、 5 ）的微观形貌图， ACF-CMC-2 的元素分布图及其在高温燃烧前后的 XRD 图谱。热重分析和压缩测试显示， ACF-CMC-2 在热稳定性和机械强度方面表现最优， 80% 压缩应变下的极限应力达 5.18 MPa 。热导率测试表明， ACF-CMC-2 的热导率最低，仅为 0.036 W/ m·K ，远优于传统陶瓷材料。实验结果指出，适量的陶瓷纤维与铝溶胶比例以及 HPMC 引发的界面键合可协同优化热绝缘与力学性能，形成低导热、高强度、稳定可靠的复合体系。

图2 ACF-CMC的结构表征与热物理性能

研究人员采用紫外 - 可见 - 近红外和中红外光谱分析，评估 ACF-CMC 系列材料的太阳反射率和红外发射率 （图 3 ） 。其中 ACF-CMC-3 的反射率最高达 0.785 ， ACF-CMC-6 和 7 在 8–13 μm 大气窗口的平均发射率接近 0.910 。户外测试在晴朗无云条件下进行，太阳辐射强度峰值达 580 W/m² ，结果显示多种 ACF-CMC 样品温度低于空腔环境温度，最大降温幅度达 7.3°C ，平均降温 4.0°C 。即使在太阳辐射波动的多云条件下， ACF-CMC 也展现出持续稳定的冷却能力，体现其在复杂环境中的日间被动降温潜力。

图3 ACF-CMC的光学性能与户外被动降温测试

为验证材料在极端高温环境下的隔热效果，研究人员将五种 ACF-CMC 样品置于 200°C 和 400°C 加热平台上，红外图像显示 ACF-CMC-2 表面温度最低，分别为 53.9°C 和 97.2°C 。进一步在 1300°C 丁烷火焰条件下测试厚度为 5 、 8 、 12 mm 的 ACF-CMC-2 ，结果显示背面温度分别为 540.6°C 、 376.7°C 和 160.8°C ，对应的前后温差最高达 1180.5°C 。这表明材料厚度与隔热能力成正比， 12 mm 厚度样品可有效阻隔强火焰热流，展现出优异的热阻抗能力，为高温热防护和被动隔热提供了可靠解决方案 （图 4 ） 。

图4 ACF-CMC在高温平台与火焰环境下的隔热性能

在模拟建筑应用中，研究人员将 ACF-CMC-4 配方涂覆于缩比模型房屋屋面，并与黑色涂层组和未处理组进行对比 （图 5 ） 。实验在全天阳光照射下进行，结果显示， ACF-CMC 涂层屋内部温度始终最低，日间峰值温差达 13.9°C ，平均温差达 5.4°C ，屋顶红外热像温度也最低（仅 15.3°C ）。夜间测试显示三组间温差趋近，说明涂层主要在日照条件下发挥作用。此外， ACF-CMC 还具备良好的阻燃性（不被火焰点燃）、疏水性（接触角达 112.3° ）和紫外老化稳定性（ 168 小时 UV 照射后无降解），证明其在复杂户外环境中具有长效耐候性和实用性。

图5 ACF-CMC涂层在建筑模型中的被动降温应用

ACF-CMC 通过聚合物成形策略构建了高强度、低热导率的陶瓷基复合体系，实现了极端高温下的热绝缘与被动辐射冷却双重功能。材料结合了高孔隙率铝陶瓷纤维与铝溶胶的协同作用，具备超低密度（ ~0.13 g/cm³ ）、优异的力学性能和高热稳定性，在 1300°C 火焰下仍能维持高达 1180.5°C 的温差。其高太阳反射率和红外发射率赋予其卓越的日间辐射冷却能力，为建筑外墙节能降温提供了新方案，也为极端热环境下的热管理应用提供了高性能材料基础。 相关工作以 Ceramic Matrix Composites as Self-standing Monoliths and Coatings for Thermal Superinsulation and Passive Daytime Radiative Cooling 为题发表在 Advanced Functional Materials 上， 论文 共同 第一作者为 苏州纳米所 硕士 生 程滢颖 和西北工 业大学 / 苏州纳米所联合培养 硕士生谌怡杰 ，通讯 作者为 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦研究员 、 西北工业大学叶 信立 副 教授 和 南通大学张俊雄 副教授 ，国装新材料 马小民 教授级 工程师 参与了相关研究 ，该论文获得 江苏省杰出青年基金和 苏州市揭榜挂帅项目 （ SYG2024036 ）支持。

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来源：科学快车