科学网—中国民航大学陶鑫/王明超等：耐温突破1400℃的多级结构的硼酸铝晶须气凝胶-晶须生长机理和防热性能研究-清华大学出版社学术期刊的博文
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2026-3-6 11:00
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Tao X, Tang L, Zhao Y, et al. Hierarchically structured aluminum borate whisker aerogel via sol–gel method and in-situ reaction. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221270
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221270
ResearchGate ： Hierarchically structured aluminum borate whisker aerogel via sol–gel method and in-situ reaction
基金支持：
本研究由中央高校基本科研业务费（ No. 3122025036 ）支持。
一、 导读
无机气凝胶因其优异的耐温性能和隔热能力在航天装备、冶金化工和新能源等热防护领域具有广泛应用。硼酸铝陶瓷具有高模量、高强度、优异的耐温性能和抗腐蚀性能，但是由于铝硼溶胶凝胶化难以控制和凝胶网络强度低导致硼酸铝气凝胶很难实现制备。本研究首次利用溶胶凝胶法和高温原位反应法制备了多级结构的硼酸铝晶须气凝胶，其独特的孔结构、高耐温极限和优异的隔热性能使其成为极具前景的热防护材料。
二、 研究背景
随着高超声速飞行器、航天装备的快速发展，以及工业高温热防护领域的技术升级，对高温隔热材料的需求不断增长，无机气凝胶兼具超低密度、优异隔热性与耐高温性，已成为解决多领域热防护难题的关键材料。其中，颗粒型气凝胶由纳米级颗粒构成，采用溶胶 - 凝胶法制备，但材料脆性大、易破损；纤维型气凝胶由纳米陶瓷纤维交织形成三维网络，柔韧性与韧性突出，然而制备流程较为复杂。气凝胶的纳米结构单元从根本上决定材料性能，因此以新型纳米单元构筑气凝胶具有重要研究价值。硼酸铝陶瓷具备高强度、高模量、优异的耐高温与抗腐蚀性能，其正交晶系结构各向异性显著，易形成晶须，且可通过调控原料铝硼比与热处理温度精准控制晶须形貌。以此为基础开发硼酸铝晶须气凝胶，有望突破传统气凝胶的性能局限，为新型高温热防护材料的研发提供新思路。
三、文章亮点
亮点 1 ：本研究采用溶胶凝胶法，通过引入活性差异的铝溶胶调节硼铝溶胶的凝胶化进程，通过添加短切莫来石纤维增强凝胶网络强度，之后经过冷冻干燥和高温原位反应法制备了具有多级结构的硼酸铝晶须气凝胶，其中硼酸铝晶须均匀分布作为基质，长满硼酸铝晶须的莫来石或棒状硼酸铝晶须组装体穿插在基质中，形成多级多孔结构。
亮点 2 ：论文深入研究了基质中和莫来石纤维表面的硼酸铝晶须的生长过程，发现了两种位置处晶须生长进程的显著差异，并分别阐明了其晶须生长机理：基质中硼酸铝晶须围绕氧化铝微粒均匀成核并生长，而纤维表面的晶须在特定取向的莫来石晶粒表面非均匀成核，成簇状生长，并逐渐融合长大。
亮点 3 ：硼酸铝晶须型气凝胶耐用温度超过 1400℃ ，具有较低的密度，低热导率和较高的强度。铝硼比和热处理温度对材料的晶须形态、孔结构和性能参数有显著影响，铝硼比为 1:2 的样品经 1400℃/20 h 和 1500℃/2 h 热处理后烧结收缩小于 5% ，其优异的耐温性能使其在高温热防护领域有显著优势。
四、研究结果及结论
本研究以铝硼溶胶为原料，添加短切莫来石纤维作为增强相与第二铝源，通过溶胶 - 凝胶法、冷冻干燥及高温原位反应工艺，制备出多级结构硼酸铝晶须（ ABOw ）气凝胶。所得材料中，硼酸铝晶须在基体内部均匀生长， 1200℃ 以下时，表面完全包覆硼酸铝晶须的莫来石纤维穿插于基体中； 1200℃ 以上时，则以棒状硼酸铝晶须组装体的形式穿插分布。
图 1 硼酸铝晶须气凝胶的制备工艺示意图 (a), 经过 1000℃ （ b-e ）和 1400℃(f-i) 烧成的铝硼比为 1:1 的样品的 SEM 照片。
ABOw 在 700℃ 开始生成，并于 1100~1200℃ 发生由 Al₄B₂O₉ 向 Al₁₈B₄O₃₃ 的晶相转变。基体中晶须的生长受铝硼比影响更为显著：随铝硼比升高，各温度下硼酸铝晶须的尺寸及晶相转变温度均随之降低。 1200℃ 以下时，纤维表面硼酸铝晶须的直径明显大于基体内部晶须。硼酸铝晶须的生长遵循 V-S-L 机制：基体中，晶须以氧化铝颗粒为核心均匀形核并生长，直径与长径比持续增大；而纤维表面的晶须则在择优取向的莫来石晶粒上发生非均匀形核，呈簇状生长并逐渐融合为长度不断增加的晶须。
图 2 ABOw 气凝胶基质的 SEM 照片：烧成前 (a), 600℃(b) 和 700℃(c) 处理后。 ABOw 气凝胶中纤维的 SEM 照片： 600℃(d) 和 700℃(e) ，原始纤维 (g) 和 1400℃ 烧成后 (h) 。 图 “g”(i) 和 “h”(j) 中方框区域的 EDS 分析。 1200℃ 烧成样品中纤维区域的 TEM 照片 (f)(k) 和局部的 EDS 面分析 (l) 。气凝胶基质中和纤维表面的 ABOw 的生长机理示意图 (m) 。
硼酸铝晶须气凝胶的密度为 0.173~0.243 g/cm³ ，受 B₂O₃ 挥发影响，其密度随煅烧温度升高、铝硼比降低而减小；导热系数为 0.0560~0.0873 W/(m ・ K) ，随煅烧温度升高呈上升趋势，这主要源于晶粒生长导致晶须间热阻降低，以及孔径增大引发的气相导热增强。该气凝胶具备高应变容限， 1200℃ 煅烧样品的抗压强度为 97.8~214.3 kPa 。 1200℃ 以下时，材料强度随铝硼比降低、煅烧温度升高而增大；经 1400℃ 处理后强度下降，且下降幅度随铝硼比升高而减小。该气凝胶经高温热处理（ 1400℃/20 h 、 1500℃/2 h ）后仍保持晶相稳定，其失重率与线性收缩率随铝硼比升高而降低。铝硼比为 2:1 的样品线性收缩率低于 5% ，且无明显烧结现象。这种耐高温、轻质、隔热的硼酸铝晶须气凝胶是一种优异的热防护材料，其独特的孔结构也使其适用于高温烟气过滤、吸附与催化领域。
图 3 ABOw 气凝胶经过高温处理后的外观 (a) 、质量损失和线收缩率 (b)(c) ， XRD 图谱 (d)(e) 以及 SEM 照片 (f)(g) 。热处理条件分别为 1400℃ 保温 20 h (b)(d)(f) 和 1500℃ 保温 2 h(c)(e)(g) 。
五、作者及研究团队简介
王明超（通讯作者）， 中国民航大学副教授，硕士生导师，第七届中国青年科技工作者协会会员，天津市 “131” 创新型人才三层次，长期从事耐高温胶黏剂研发与胶接理论、阻燃隔热涂层、表面工程等的研究。主持参与国家级、省部级及其他科研项目 10 余项，以第一作者和通讯作者身份在 Journal of Advanced Ceramics, Journal of the European Ceramic Society, Ceramics International, Construction and Building Materials, Progress in Organic Coatings 等国际知名期刊发表 SCI 论文 50 余篇；以第一发明人授权国家发明专利 10 余项（已转化 3 项），授权实用新型专利 1 项，授权美国发明专利 2 项。
陶鑫（第一作者） ，中国民航大学理学院讲师，硕士生导师， 2018 年博士毕业于天津大学材料科学与工程学院，从事热防护用多孔陶瓷复合材料和辐射式防热涂层的研究工作，主持和参与国家自然科学基金、天津市自然科学基金、天津市教委科研计划项目等科研项目 5 项，以第一作者或通讯作者在 Journal of Advanced Ceramics ， Journal of the European Ceramic Society ， Materials & Design ， Ceramics International 等国内外期刊发表论文二十余篇。
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1) Liu J, Wan Y, Xiao B, et al. The preparation and performance analysis of zirconium-modified aluminum phosphate-based high-temperature (RT–1500 °C) resistant adhesive for joining alumina in extreme environment. Journal of Advanced Ceramics , 2024, 13(7): 911-932. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220906
2) Zhang R, Li J, Wang Z, et al. Preparation of porous mullite ceramics composed entirely of overlapping and interlocking mullite whiskers through whisker in-situ growth. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(4): 9221055. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221055
3) Tao X, Tang L, Zhao Y, et al. Hierarchically structured aluminum borate whisker aerogel via sol–gel method and in-situ reaction. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221270
《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊， 清华大学 主办， 清华大学出版社 出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊， 2025 年发文量为 202 篇； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集 “ 材料科学，陶瓷 ” 学科 33 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选 “ 中国科技期刊卓越行动计划二期 ” 英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来 “ 借船出海 ” 的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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