摘要：在极端环境隔热、太阳能高效利用及电磁波管理等领域，传统材料往往难以兼顾多重性能需求。尤其在高低温交变、强辐射或复杂光学环境下，单一功能材料已无法满足日益增长的应用要求。开发一种兼具超黑吸光、高效隔热、良好机械性能及可定制形状的多功能材料，成为材料科学前沿的重要

在极端环境隔热、太阳能高效利用及电磁波管理等领域，传统材料往往难以兼顾多重性能需求。尤其在高低温交变、强辐射或复杂光学环境下，单一功能材料已无法满足日益增长的应用要求。开发一种兼具超黑吸光、高效隔热、良好机械性能及可定制形状的多功能材料，成为材料科学前沿的重要挑战。

近日，南京工业大学气凝胶材料重点实验室沈晓冬教授团队与瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）赵善宇研究员合作，通过直接墨水书写（DIW）的三维图案化技术，成功制备出一种超黑二氧化硅-碳纳米复合气凝胶。该材料在保持超高孔隙率（≈99.8%）的同时，展现出极低的热导率（15.8 mW·m⁻¹·K⁻¹）、超高的光吸收率（99.56%，280–2500nm）以及优异的光热转换效率（94.2%），在热管理、太阳能驱动水蒸发及电磁波吸收等多个领域表现出广泛应用潜力。相关研究成果以“Three-dimensional Patterning Super-Black Silica-Based Nanocomposite Aerogels”为题，发表在Nano-Micro Letters上，论文第一作者为南工大/Empa联合培养博士赵志扬（现入职南京信息工程大学）。

如图1，研究团队通过优化二氧化硅与酚醛树脂的比例（SiO₂含量>70wt%），在醇基体系中制备出适用于DIW打印的SiO₂-RF复合墨水。利用多孔喷嘴在气压驱动下实现高精度打印，再经氨气催化凝胶、超临界CO₂干燥和高温碳化，最终获得结构完整、形状保真度高的二氧化硅-碳纳米复合气凝胶。该材料在打印过程中表现出良好的流变性能和剪切稀化行为，适用于复杂三维结构的制造。

图1：基于DIW技术的SiO2-RF纳米复合气凝胶的增材制造工序

如图2，所开发的墨水具有广泛的DIW打印窗口，具备大型复杂几何形状的打印条件。已成功打印出各种具有高形状保真度和精度的气凝胶物体，包括平面字符、网格条纹、异形雪花、镂空花瓶、规则圆柱和具有拓扑结构的三维立方体等。值得一提的是，得益于油墨中的SiO₂颗粒，所打印的材料无需光固化等辅助条件，在室温下即可实现稳定的自支撑特性。

图2：墨水出色的打印性能及纳米复合气凝胶的微观结构

如图3，在热管理方面，打印的SiO₂-RF纳米复合气凝胶表现出卓越的隔热性能，其热导率低至15.8 mW·m⁻¹·K⁻¹，优于多数商业绝缘材料（如聚氨酯泡沫、岩棉等）。将10 mm厚的气凝胶样品放置在300°C加热台上，其背面温度仅约60°C，而同样厚度的聚氨酯和建筑砖的背面温度则分别高达117°C和145°C，显示出其在高温环境下可靠的绝热性能。

图3：SiO2-RF纳米复合气凝胶的热管理性能

如图4，碳化后的材料展现出超黑特性，在280–2500nm波长范围内的平均吸光度高达99.56%，几乎不反射和透射光线，使其在日光下呈现出“黑洞”的视觉效果。此外，该材料具备快速光热响应能力，在1.0个太阳光强下，材料表面温度可在1分钟内升至80°C以上，适用于高效太阳能水蒸发系统。实验表明，其蒸发速率可达2.25 kg·m⁻²·h⁻¹，能量转换效率高达94.2%，显著优于多数已报道的气凝胶及水凝胶类光热材料。

图4：衍生超黑碳气凝胶的太阳能驱动光热特性

如图5，在电磁波吸收方面，超黑气凝胶在2–18 GHz频段内表现出优异的吸收性能，最佳配比下反射损耗（RL）最低可达–48.79 dB，有效吸收带宽（EAB）达6.38 GHz，具备在雷达隐身、电子防护等领域的应用潜力。

图5：3D特性超黑碳气凝胶的电磁波吸收性能

小结

综上所述，该研究通过创新的3D打印工艺与材料设计，成功制备出集超黑、超隔热、光热转换与电磁吸收于一身的多功能气凝胶材料，突破了传统材料的功能局限，为高端装备、新能源、航空航天等领域提供了全新的材料解决方案。研究团队表示，未来将进一步优化材料配方与打印工艺，推动其向规模化、智能化制造方向发展，并拓展在海水淡化、智能隔热、电磁屏蔽等更多领域的应用。

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来源：尚林教育