本文报道了南京工业大学材料科学与工程学院、材料化学工程国家重点实验室及江苏省先进无机功能复合材料协同创新中心的Sisi Shang, Zhun Fan, Jing Fang, Man Yuan, Zihao Song, Wei Liu, Jian Yang和Sheng Cui等研究人员的原创性研究成果。该研究以“high entropy silicate ceramic aerogels with excellent thermal stability up to 1600 °C and their fiber-reinforced composites for high temperature insulation”为题，发表于期刊 J Adv Ceram 2026年第15卷第1期，文章编号9221217。
本研究隶属于先进陶瓷材料领域，具体聚焦于高温隔热材料。陶瓷气凝胶因其超低密度和超低热导率，在航空航天等极端环境下的隔热应用前景广阔。然而，传统陶瓷气凝胶在高温下纳米单元易于烧结，导致结构坍塌和性能退化，这严重限制了其在极端高温环境下的长期应用。为了克服这一瓶颈，近年来研究者将“高熵”概念引入陶瓷体系。高熵效应通过引入多种主元、提高构型熵，能够降低吉布斯自由能，在热力学上稳定固溶体相；同时，晶格畸变和局部化学无序增加了原子扩散势垒，在动力学上抑制晶粒生长和烧结，从而有望显著提升材料的高温结构稳定性。特别是高熵稀土硅酸盐陶瓷，已被证明兼具优异的高温抗氧化性、低热导率和耐腐蚀性。然而，如何将高熵陶瓷与气凝胶的多孔结构成功结合，并进一步提升其力学性能以满足实际应用需求，仍是一个挑战。因此，本研究旨在通过引入高熵设计，制备出一种新型高熵硅酸盐陶瓷气凝胶，并探索其与不同纤维复合，以期获得兼具卓越高温稳定性（高达1600°C）、优异隔热性能和良好力学强度的复合材料，为极端环境下的高温隔热应用提供新材料解决方案。
本研究主要包含两大核心部分：五元高熵硅酸盐陶瓷气凝胶的制备与表征，以及纤维增强高熵陶瓷气凝胶复合材料的制备与性能评估。整个工作流程系统而严谨。
第一部分：高熵硅酸盐陶瓷气凝胶的制备、表征与高温稳定性研究 1. 材料合成：研究人员采用溶胶-凝胶法结合超临界干燥技术制备了(Y, Yb, Er, Dy, Gd)₂SiO₅（简称ESA）高熵陶瓷气凝胶前驱体。具体步骤为：将五种稀土氯化物（Y, Yb, Er, Dy, Gd的六水合物，各2 mmol）溶解于乙醇和水的混合溶液中，随后依次加入甲酰胺（作为模板剂）、正硅酸乙酯（TEOS，硅源）和1,2-环氧丙烷（PO，凝胶促进剂）。将混合溶液快速倒入模具中，经老化、乙醇溶剂置换后，进行CO₂超临界干燥，得到气凝胶前驱体。最后，将前驱体在空气气氛中于不同温度（950, 1050, 1250, 1350 °C）下煅烧2小时，得到最终的高熵硅酸盐气凝胶（标记为ESA-T，T代表煅烧温度）。研究确定在1050 °C下煅烧可获得纯X1相高熵陶瓷气凝胶。 2. 相组成与结构表征：采用多种表征手段系统分析了材料的相组成、化学结构和微观形貌。 * X射线衍射：对在不同温度下煅烧的ESA样品进行XRD测试，以确定其晶相结构。结果表明，在1050 °C下即可形成单一X1-Re₂SiO₅相，且随着温度升高至1350 °C，特征峰逐渐锐化，表明结晶度提高，但未出现其他杂质相。 * 光谱分析：通过拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱进一步确认了X1-Re₂SiO₅晶体结构中[SiO₄]、[ReO₇]和[ReO₉]基团的存在。X射线光电子能谱分析证实了Y, Yb, Er, Dy, Gd, Si, O元素的均匀存在，并检测到氧空位。 * 微观结构分析：利用扫描电子显微镜观察了气凝胶从干凝胶前驱体到不同温度煅烧后的三维纳米多孔网络结构演变。结果显示，随着煅烧温度升高，气凝胶骨架逐渐粗化，颗粒尺寸增大，比表面积减小，但多孔结构得以保持，甚至在1350 °C下也未发生明显烧结。透射电子显微镜的高分辨图像和选区电子衍射图谱直接证实了单相晶体结构的存在，并观察到位错，这归因于高熵效应引起的显著晶格畸变。能谱面扫图直观展示了五种稀土元素在纳米尺度上的均匀分布，无偏析现象。 * 热分析：通过热重-差示扫描量热法分析了前驱体在空气中的热行为，揭示了物理吸附物脱除、有机物分解以及约1040 °C处高熵相形成的吸热过程。 * 孔结构分析：采用氮气吸附-脱附法和压汞法测定了样品的比表面积、孔径分布和孔隙率。数据表明，材料具有介孔和大孔并存的结构，且随着处理温度升高，比表面积和孔隙率逐渐下降，但直至1350 °C仍保持高于70%的孔隙率。 3. 高温稳定性评估：为了评估材料的高温性能，将ESA-1050样品在1200至1600 °C的空气气氛中进行退火处理（2小时），得到RESA-T样品。 * 高温相稳定性：XRD分析表明，在1300 °C及以上温度退火后，材料发生了从X1-Re₂SiO₅相到更稳定的X2-Re₂SiO₅相的转变，且在直至1600 °C的范围内均保持单相，无其他杂质生成，证明了出色的高温相稳定性。Rietveld精修进一步确认了X2相的晶体结构。 * 高温微观结构稳定性：SEM观察发现，即使在1600 °C退火后，材料仍保持多孔结构，未发生熔融烧结，但晶粒尺寸随温度升高而显著增大（从0.086 μm增至0.750 μm）。比表面积进一步降低，RESA-1600的比表面积仅为1.81 m²/g，孔隙率为62.55%，结构更接近传统多孔陶瓷。值得注意的是，在1300 °C以上退火的样品中，SEM观察到表面出现球形颗粒，EDS分析显示该区域硅信号显著增强，推测可能局部形成了Re₂Si₂O₇相，但由于含量低或高度分散，未在XRD中检测到。
第二部分：纤维增强高熵陶瓷气凝胶复合材料的制备与性能研究 1. 复合材料制备：采用相同的溶胶-凝胶工艺，在凝胶前将混合溶液倒入预先裁剪好的纤维毡（30 mm × 30 mm × 10 mm）模具中，经老化、溶剂置换、超临界干燥和1050 °C煅烧后，制得四种纤维增强高熵陶瓷气凝胶复合材料：硅酸铝纤维棉增强、硅酸铝纤维毡增强、莫来石纤维增强和聚晶莫来石纤维增强，分别标记为XFESA, GFESA, MFESA, DFESA。通过计算，气凝胶固体含量约为38.5±1.5 wt%。 2. 复合材料结构与形貌：SEM观察显示，气凝胶成功填充了纤维之间的孔隙，形成了复合结构。XRD证实复合材料中仅存在X1-Re₂SiO₅和莫来石（对于含莫来石纤维的样品）的衍射峰，未产生新相，说明复合主要是物理结合。BET分析表明，复合材料的比表面积（7.45-8.38 m²/g）比纯气凝胶低，但仍以介孔和大孔为主。 3. 力学性能测试：使用电子万能试验机测试了复合材料在不同温度（1100, 1200, 1300 °C）退火2小时后的压缩性能。结果表明，复合显著提升了材料的力学性能。其中，DFESA在1100 °C退火后于60%应变下的抗压强度最高，达0.368 MPa。随着退火温度升高，MFESA和DFESA的力学性能总体呈下降趋势（归因于纤维基体的物理老化），但在1300 °C下仍分别保持0.193 MPa和0.026 MPa（60%应变）的强度，且线收缩率极低（MFESA仅0.25%），表现出更好的高温尺寸稳定性。 4. 隔热性能评估： * 热导率测试：在室温及高温下测试了复合材料的热导率。MFESA在1100 °C退火后室温热导率最低，为0.032 W/(m·K)。对MFESA-1050进行高温热导率测试，结果显示在600 °C、800 °C和1000 °C下热导率分别仅为0.058、0.075和0.108 W/(m·K)，表现出优异的隔热能力。 * 抗烧蚀与热冲击测试：使用丁烷喷枪（火焰温度约1300 °C）对样品单面进行600秒烧蚀，并用热电偶和红外相机记录背面温度变化。所有样品正反面温差均超过1070 °C，其中MFESA和DFESA的背面温度最低，约为110 °C，展现了出色的抗烧蚀隔热性能。此外，将样品置于液氮（-196 °C）中5分钟，再经丁烷喷枪烧蚀，均未观察到明显损伤或变形，证明了材料在极大温度范围（-196至1300 °C）内的优异热稳定性。演示实验表明，被10 mm厚复合材料保护的花瓣在酒精灯上加热300秒后仅边缘微焦，而未受保护的对照花瓣在25秒内即严重碳化，直观验证了其卓越的隔热效果。
本研究成功开发了一类新型的高熵硅酸盐陶瓷气凝胶及其纤维增强复合材料。该材料体系的核心价值在于，通过高熵工程设计，巧妙地解决了传统陶瓷气凝胶高温易烧结的固有难题，将长期使用温度上限显著提升至1600 °C。同时，通过纤维复合策略，有效弥补了陶瓷气凝胶力学性能的不足，获得了兼具超高温稳定性、超低热导率、良好机械强度和优异抗热震性的高性能隔热材料。
其科学价值在于：为陶瓷气凝胶的高温稳定性提升提供了一个全新的设计思路——即利用高熵效应在热力学和动力学上协同抑制高温结构退化；深化了对高熵陶瓷气凝胶微观结构演变、相变行为及其与性能之间关系的理解。
其应用价值尤为突出：该材料在极端高温隔热领域，如航空航天热防护系统、高温工业炉窑节能、特种车辆隔热等方面具有巨大的应用潜力。其宽温域稳定性（-196至1300 °C）使其能够适应太空极端冷热循环等复杂环境。
研究还对高熵相形成温度（~1040 °C）、高温退火过程中可能出现的局部硅富集现象（推测形成Re₂Si₂O₇）、不同纤维类型（编织方式、晶体结构）对复合材料最终性能的影响等进行了细致的分析和讨论。这些细节为进一步优化材料配方和工艺提供了重要参考。此外，文章将所制备材料的热导率与近期报道的其他稀土硅酸盐材料进行了对比，凸显了其低热导率的优势。