陶瓷气凝胶由于其超高的热稳定性已成为高温热防护体系中最常用的材料。然而，固有的脆性限制了它们在恶劣的热机械条件下的应用，目前已有研究主要集中于压缩弹性结构的构建，难以突破拉伸方向的变形，尤其是变面积及三维大变形。

北京理工大学先进结构技术研究院徐宝升课题组基于折纸技术在实现陶瓷气凝胶高温环境下的可三维大面积变形方面取得了重要成果，为未来高速可变形飞行器和充气减速器等高温可变形防热蒙皮的应用提供了技术基础。该成果以“Ceramic aerogel composite metastructure with 3D large deformation for thermal insulation”为题，发表于材料研究领域的国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（https://doi.org/10.1002/adfm.202512480）。

本研究以高速变体飞行器和充气载入航天器为研究背景，通过前期的结构参数设计，将折纸结构引入到陶瓷纤维中，并采用SiO₂气凝胶材料填充孔隙，进行折纸结构的锁定以及进一步降低材料的导热系数，最后制备得到的陶瓷气凝胶超构复合材料（ceramic aerogel composite metastructure，CAM）具有三维大变形能力（图1）。CAM 可实现多方向协同变形：面内双向拉伸（面积增加455%）、面外凸起（高度/特征尺寸约0.94），高温（1200℃）下仍保持变形能力 。

图1 a) 可变形隔热材料的应用，即无附面层隔道超音速进气道（DSI）和充气再入飞行器实验（IRVE）；b) i) 隔热毡、ii) 波纹结构以及 iii) 三浦折纸结构在平面内和面外变形时的示意图，黄色三角形标记表示位移和约束；c) 三浦折纸结构的折痕图案及其对应的折叠状态，蓝色线条表示“山”，红色线条表示“谷”；d) CAM的大尺寸三维变形。

通过万能试验机对CAM的不同力学行为进行定量测量。结果表明，在单轴拉伸过程中，CAM可以实现158%的拉伸应变，远超过非折纸结构的陶瓷气凝胶，并且CAM可以实现10%-100%应变下的连续拉伸循环以及80%拉伸应变下60次循环，另外，CAM还可以在30%的压缩应变下循环30次。即使在高温环境下，CAM也依然具有出色的拉伸性能和压缩性能（图2）。

图2 a) 平面内拉伸和垂直方向压缩测试过程的照片；b) 不同SiO₂气凝胶含量的 CAM 的单轴拉伸应力-应变曲线；c) 非折纸结构陶瓷气凝胶的单轴拉伸应力-应变曲线；d) CAM在不同应变下的循环拉伸曲线；e) CAM在单轴拉伸下的负泊松比；f) CAM在80%拉伸应变下进行60次循环的抗疲劳测试曲线；g) 不同SiO₂气凝胶含量的 CAM的压缩应力-应变曲线；h) CAM 在不同应变下循环压缩测试曲线；i) CAM在30%压缩应变下进行30次循环抗疲劳测试曲线；j) 高温下CAM的拉伸和压缩测试示意图；k) CAM在丁烷喷枪火焰下的单轴拉伸应力-应变曲线，样品表面温度超过1000℃；l) 高温下 CAM的压缩应力-应变曲线，样品在炉内升温，包括 200℃、400℃、600℃ 和 800℃。

在室温~600℃环境下，CAM的热导率由0.038 W m⁻¹ K⁻¹上升至0.095 W m⁻¹ K⁻¹，并且在高温下具有优异的热稳定性和隔热性能（图3）。

图3 a) CAM的热导率；b）CAM的背温红外热成像图。

CAM可以实现455%的面内变面积变形，以及隆起高度与典型特征尺寸之比为 0.94的面外鼓包变形，并且在1200℃下依然保持优异的变形特性。此外，CAM还可以实现扭转变形、拱形结构承载以及收缩与展开的自由转换等，可见CAM适应于各种变形场景（图4）。

图4 a) CAM在室温下的双轴拉伸变形；b) CAM 在室温下的鼓包变形；c) CAM在丁烷喷枪火焰下的双轴拉伸变形；d) CAM在丁烷喷枪火焰下的鼓包变形；e) CAM 可旋转 720°并进行 90°的双面弯曲；f) 带有拱形结构的 CAM 的承载性能；g) CAM可实现收缩和展开的自由转换。

本成果所获得的陶瓷气凝胶超构复合材料作为3D可变形隔热材料具有巨大潜力，解决传统陶瓷隔热材料 “高隔热与大变形不可兼得” 的问题，拓宽了陶瓷气凝胶的应用范围，可应用于高速变体飞行器变形防热蒙皮、充气减速器和隔热服等。

论文引用：Shi B, Qin Y, Zhou Z, et al. Ceramic Aerogel Composite Metastructure with 3D Large Deformation for Thermal Insulation[J]. Advanced Functional Materials, 2025: e12480.