【十大科技进展典型成果】突破氧化硅气凝胶材料国际性难题——沈晓冬团队典型成果

■ 信息来源：江苏省科协

近日，“2023年度江苏省行业领域十大科技进展”遴选结果发布，江苏先进无机功能复合材料协同创新中心主任、南京工业大学材料科学与工程学院沈晓冬教授团队联合江苏珈云新材料有限公司完成的“高性能硅基气凝胶材料及制品开发与规模化应用技术”成果入选“新材料化工纺织领域”十大科技进展。（点击跳转阅读相关信息）

新能源汽车离不开新能源动力电池，然而动力电池一个电芯发生热失控，会迅速向其它电芯蔓延，整个动力电池包从冒烟到爆炸仅数秒。如何有效地阻断单个电芯热失控后向其它电芯的热蔓延？沈晓冬教授团队国际首创并量产了耐1200℃高温氧化硅气凝胶材料并成功应用于动力电池芯组间的隔热，为芯组穿上了高性能“隔热服”，为人民生命安全构筑了安全“防火墙”。

自20世纪30年代诞生之日起，气凝胶便是明星材料，20世纪90年代起更享有“十大新材料之首”美誉，是支撑航空航天、化工、建筑等领域发展的关键新材料。

气凝胶是一种具有三维纳米多孔网状结构的纳米材料，具有低密度、高比表面积和低热导率等优异性能。“气凝胶纳米网状骨架中超99%是由空气填充的孔隙。”沈晓冬教授介绍说，空气是热的不良导体，同时气凝胶中的空气被纳米孔绊住了“脚”无法流动，因此导热力较之空气更低，成了隔热“明星”。

2005年前，“专情”于硅酸盐水泥研究的沈晓冬，被气凝胶超级隔热的光环所吸引，承担国家任务开始研究同属硅酸盐材料的氧化硅气凝胶。

“气凝胶基体太过脆弱，无法独当一面，必须借助增强体的结构强度。”团队成员孔勇副教授介绍，如何提高氧化硅气凝胶高温结构稳定性，沈晓冬提出引入耐高温陶瓷作基材的新创意。“理想的三维纳米多孔网状结构正在朝着期待的样子形成，但是此时充满纳米孔隙的是酒精而非空气，还不是真正的气凝胶。”

实验表明，纳米孔隙中饱含的液体在分离时会产生巨大张力，这会让网状结构面临坍塌的风险。“就好像湿了的衣服晾干容易起皱褶、变形。”沈晓冬教授形象地介绍道，湿衣服中的水蒸发相变（从液相变为气相）时存在气-液界面，从而产生张力，使衣服变形。如何有效地保护气凝胶薄如蝉翼的网状结构？“唯有在不发生相变的情况下，气体直接取代液体，才能抹除张力，避免网状结构坍塌。”

控制高压釜内的介质（二氧化碳）在临界温度和临界压力之上，即“超临界状态”，这时二氧化碳状态介于气相和液相之间，用于替代气凝胶网状结构中的酒精没有液—气相变，也不存在具有破坏性的张力。研究团队利用这一特点，在超临界状态下“秒”抽酒精，由超临界二氧化碳直接替代酒精入驻孔隙，很好地保护了凝胶的网状结构。

“我们在动力电池两个电芯之间放入研发的耐高温氧化硅气凝胶材料，通过引爆一块电芯来检验气凝胶对相邻电芯的保护能力，验证气凝胶能否成功阻止热蔓延。”团队成员仲亚副教授开心地介绍说，经过多次试验发现，电芯被引爆后高达1200℃的火焰没有破坏气凝胶“防火墙”，伤及其他电芯。

2023年5月，团队研发的耐1200℃新型气凝胶产品“横空出世”，并在江苏珈云新材料有限公司（珈云新材）完成A轮融资，实现了高性能氧化硅气凝胶系列产品量产。珈云新材副总经理滕凯明博士介绍说，团队的研究成果为行业企业带来了“福音”，新型气凝胶产品和技术在汽车动力电池和储能电池隔热防护、高温设备和热力管道保温节能等领域应用，取得了良好的社会效益和经济效益。

“作为高校科技工作者会持续开展气凝胶材料基础研究、根据国家和行业需求不断攻克关键技术、建设气凝胶材料知识产权和标准体系，培养专业人才、着力推动技术转化、制造有‘生命力’的高性能产品。”沈晓冬表示。“我们研发的成果突破了氧化硅气凝胶材料存在的耐高温性能差的国际性难题，建立了完整的自主知识产权体系。”团队成员吴晓栋博士自豪地说。

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