来源 | Nature communications

链接 | https://doi.org/10.1038/s41467-025-65983-7

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背景介绍

极端热环境（如高超音速飞行）产生超 3000 K 温度，传统热防护依赖材料固有特性（绝缘、散热片等），难以满足需求；发汗冷却技术（又称发散冷却/蒸腾冷却）利用多孔介质将液体冷却剂输送到加热表面附近，在那里发生相变以有效地散热，从而防止材料的热失效，该技术的理论最大冷却能力高达 1.4×10⁵ W/cm²，是最具潜力的主动热防护方式，多孔陶瓷介质通过促进液体传输和热交换在这种冷却过程中起着至关重要的作用；然而，它们间歇性毛细作用和颗粒间声子散射显著阻碍了快速冷却。

·传统材料痛点：

热导率低：陶瓷颗粒基多孔材料（Al₂O₃、SiO₂等）固相热导率 < 30 W/mK；

液体传输慢：毛细阻力大，传输速率 < 0.1 mm/s，导致冷却速率 < 30°C/s；

系统复杂：需泵送系统，增加重量与能耗，存在冷却延迟。

急需开发开发兼具超快液体传输、高效热交换、自发冷却特性的多孔材料。

02

成果掠影

近日，东华大学斯阳团队提出通过纳米工程与多尺度结构组装技术，制备出具有垂直排列通道和单晶 AlN 纳米纤维的 AlN 基纳米纤维气凝胶热冷却器（AFC），突破传统多孔陶瓷材料间歇性毛细作用和晶粒间声子散射的局限；其实现了8.33±0.026 mm/s的超快液体传输速率（超现有多孔介质 1-2 个数量级）、156.8°C/s的冷却速率（超先进冷却材料 5 倍），且具备0.01 g/cm³的轻量化、96.7% 的高冷却效率及优异的柔性与稳定性，无需泵送系统即可自发持续冷却，为航空航天等极端热环境的热管理提供了变革性解决方案。不仅提供了一种性能优异的新型热管理材料，更提出了一种可定制的多孔冷却材料设计范式。该工作以“AlN-based aerogel thermo-cooler enabled by enhanced phonon conduction and unconstrained liquid capillarity”为题发表在《Nature communications》。

主要应用领域：特别适用于需要极轻重量、极高热流和超高温的场景，如高超音速飞行器表面热防护、可变形飞行器、航天器关键部件等。

核心贡献：将气凝胶从“超级隔热体”转变为“超级冷却体”，打破了传统材料功能上的界限，为下一代极端热管理系统的设计开辟了新道路。

03

图文导读

图1|氮化铝（AlN）基纤维气凝胶热制冷器（AFC）的设计策略，介绍了用于开发具有由AlN纳米纤维（AlN NF，teal）组成的垂直通道的AFC的单晶序列和多尺度结构组装策略的示意图，及其热保护机制。

图2|单晶AlN纳米纤维（AlN NFs）的设计策略和表征。a使用包括气-固（VS）和气-液-固（VLS）机制的串联催化剂纳米工程策略制备AlN NFs的过程的示意图。B使用扫描电子显微镜表征AlN NFs（SEM，左上，比例尺= 20 μm）、扫描透射电子显微镜（STEM，右上，比例尺= 300 nm）和能量色散X射线光谱（EDS，底部，比例尺= 300 nm）。c代表性的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，显示了AlN NF的单晶结构（比例尺= 5 nm）。插图：AlN NF晶面的晶格间距（d）。d单个六方纤锌矿AlN NF表现出柔性，在相当大的应变下弯曲，同时保持结构完整性（比例尺= 10 μm）。

图3| AFC的结构设计和构建。a氮化铝基纳米纤维（NF）气凝胶（ANFAs）的制造程序。B纤维框架重建机制的示意图。冰晶沿箭头方向生长，并向各个方向排出NF，导致冰晶周围NF的浓度（Ct，红色）高于溶液中的浓度（C 0，蓝色）。c-e各种放大倍数下的ANFA的横向和纵向截面SEM图像。f和g显示ANFA的超轻性质和超亲水性的数字照片。h显示ANFA的柔性的光学图像，展示了其卷起或扭曲而不断裂的能力。i在水中和丁烷喷灯火焰下展示了ANFA的压缩回弹性，显示无可见损坏。比例尺：c 300 μm（插图：5毫米）; d 40 μm; e 50 μm（插图：5毫米）; f 5毫米; g 500 μm（插图：5毫米）; h 1厘米; i 5毫米（上部）和2厘米（下部）。

图4| AFC中快速毛细流动的稳定性。a弯曲度对具有垂直通道和随机孔隙的AFC吸收能力的影响。B在温度为25 ± 2 °C、湿度为45 ± 2%的条件下，随时间变化的吸收液体高度。测试样品包括具有不同通道宽度的垂直对齐通道（VAC-1，VAC-2，VAC-3）、无规多孔（RP）和商业毡材料（CM）。每个数据点表示从三个重复样品得到的平均值，垂直通道的平均吸收速度（vv）和随机孔的平均吸收速度（vr）的比较，以及具有不同粘度的液体的速度增强比（vv/vr（液体粘度：ηL，空气粘度：ηA）. d AFC与传统材料之间的毛细管性能比较14、16、24、46 49.e在AFC和毛细流动曲线的不同高度处的温度分布随吸收时间的热图，用丁烷喷枪加热（~ 1100 °C）。f AFC在极端温度下的毛细输运机制。Rn、θn和Δpn表示不同阶段的弯月面曲率半径、接触角和毛细压差（n = 1，2，3），并且r表示沟道半径。g在波动温度下AFC中的快速毛细作用响应性。h AFC在1100 °C下的冷却功率和容量因数。i在1100 °C下的循环冷却功率，显示第1次和第10次循环中的液体质量变化。源数据以源数据文件的形式提供。

·核心性能测试结果

1、液体传输性能

传输速率：VAC-1 样品达 8.33±0.026 mm/s，是随机多孔结构（RP）的 2 倍，超传统多孔介质 1-2 个数量级；

毛细作用：理论最大吸收高度 > 30 cm，0° 接触角（超亲水），55 ms 内完成液滴浸润；

多液体适配：对不同粘度液体均保持优异吸收性，增强比超随机多孔结构 > 2。

2、冷却性能（1100°C 丁烷火焰环境）

冷却速率：通水后 4 s 内将表面温度从 930°C 降至 297.9°C，峰值冷却速率 156.8°C/s（超先进材料 5 倍）；

冷却效率：表面平均冷却效率 96.7%，下游区域达 97.3%；

冷却功率：15 分钟内达 1.34 MW/m²，是纯水冷却的 5 倍。

3、物理与稳定性性能

基础特性：密度 0.01 g/cm³、柔性可卷曲扭曲、1100°C 火焰下无结构坍塌；

长期稳定性：10 次冷却循环后，冷却速率（158.1°C/s）、效率（92.2%）基本保持；6 个月存储后仍可稳定工作 12 小时；

机械强度：1000 次弯曲 + 700 次屈曲 + 1000 次压缩循环后，结构完整性 > 85%。

图5| 1100 °C时的自然毛细发汗冷却性能。a用于评估AFC极端热管理性能的试验装置的示意图和光学照片。B，c极端温度条件下（有水和无水）随时间变化的温度图像和温度变化曲线。插图表示即时冷却响应和快速冷却。d供水AFC上不同测量点（x/L）的表面温度和冷却效率。其中，x/L的范围从顶部的0到底部的1（x：距顶部的距离，L：通过10次循环以上的循环测试证明了AFC循环冷却性能的稳定性AFC和g具有随机孔的常规多孔介质（CPM）的热冷却模拟，包括温度和冷却液饱和度（范围从气相的0到液相的1，以描述汽液相分布）. h对AFC中毛细冷却效应起作用的因素的示意图。i AFC与其他多孔介质和冷却系统的综合性能比较1，25，54、56。源数据作为源数据文件提供。

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作者信息

斯阳，东华大学教授，博导；以工程应用中对高性能、多功能纳米纤维材料的需求为导向，围绕纳米纤维材料的三维体型构建、多级结构调控、纤维原位功能改性等关键科学问题开展了系统研究。相关工作共发表SCI论文90余篇，其中以第一/通讯作者在Nat. Commun.、Sci. Adv.、Angew. Chem., Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Nano等期刊发表SCI论文38篇，其中4篇ESI高被引论文，2篇ESI热点论文。论文共被他引2400余次，单篇最高他引326次，H指数34，获授权发明专利27项。