纳米纤维陶瓷气凝胶 – 湖南奥飞新材料有限公司 https://alfy.cn Sat, 07 Dec 2024 03:39:29 +0000 zh-Hans hourly 1 https://wordpress.org/?v=6.9.4 https://img.alfy.cn/wp-content/uploads/2024/12/alfy-ico.svg 纳米纤维陶瓷气凝胶 – 湖南奥飞新材料有限公司 https://alfy.cn 32 32 具有超大拉伸性和拉伸不敏感隔热性能的高屈曲纳米纤维陶瓷气凝胶 https://alfy.cn/450.html https://alfy.cn/450.html#respond Thu, 05 Dec 2024 07:16:00 +0000 https://gpsites.co/construction/?p=450 阅读更多]]> 陶瓷气凝胶因其优越的性能，如超低密度、大比表面积、低导热率和高化学/热稳定性，已成为最具吸引力的材料家族之一，在隔热、阻燃、催化框架、传感、能量存储、辐射冷却和吸收/过滤等领域展现出良好的前景。在设计具有所需功能的陶瓷气凝胶时，一个重要的性能指标是其机械性能，即在防止环境因素（例如机械应力、热梯度和毛细管力）引起的结构损坏方面具有出色的变形能力。然而，与聚合物或生物质材料不同，陶瓷材料，特别是超轻陶瓷气凝胶，由于其固有的脆性，很容易遭受断裂损坏。因此，机械性能通常是陶瓷气凝胶实际应用的关键障碍。迄今为止的研究表明，通过组件设计和结构工程可以显着提高陶瓷气凝胶的机械性能。先前提高机械性能的努力通常集中在具有一维或二维构建块的陶瓷气凝胶的设计上。迄今为止，陶瓷气凝胶的可压缩性已得到很好的增强，可以与聚合物泡沫相媲美。然而，由于构件之间相对较弱的连接模式，例如纳米纤维的物理缠结和纳米片的π-π堆叠，陶瓷气凝胶仍然表现出非常低的韧性，在受到拉力时会出现严重的结构损坏甚至断裂。

近日，哈尔滨工业大学徐翔教授团队受爬山虎卷须的启发，我们报告了一种由高度弯曲纳米纤维构建的超可拉伸陶瓷气凝胶的设计和合成。纳米纤维的屈曲是通过双组分离轴静电纺丝方法通过不对称变形形成的。所得气凝胶具有超大拉伸性，拉伸应变高达150%，以及高恢复性，拉伸应变高达80%。它们还表现出接近零的泊松比 (4.3 × 10−2) 和接近零的热膨胀系数 (2.6 × 10−7摄氏度)，从而具有出色的热机械稳定性。受益于这种超拉伸性，气凝胶表现出独特的拉伸不敏感隔热性能，在 1000 °C 时热导率仅保持约 106.7 mW m−1 K−1。这项工作促进了陶瓷气凝胶的发展，以在极端条件下实现坚固的隔热性能，并在可拉伸气凝胶的结构设计中为广泛的应用建立了一系列基本考虑因素。相关成果以“Highly‐Buckled Nanofibrous Ceramic Aerogels with Ultra‐Large Stretchability and Tensile‐Insensitive Thermal Insulation”为题，发表在《Advanced Materials》(期刊号：Adv. Mater. 2024, 2415159  IF=27.4)上。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202415159

图1. 超拉伸陶瓷气凝胶的结构设计。a) 陶瓷气凝胶极端条件下的隔热要求。b) 通过有限元分析说明增强气凝胶拉伸性的纤维结构设计。
图1. 超拉伸陶瓷气凝胶的结构设计。a) 陶瓷气凝胶极端条件下的隔热要求。b) 通过有限元分析说明增强气凝胶拉伸性的纤维结构设计。
具有超大拉伸性和拉伸不敏感隔热性能的高屈曲纳米纤维陶瓷气凝胶
图2. 高屈曲纳米纤维陶瓷气凝胶的仿生设计和合成。a) 爬山虎及其弯曲卷须的照片（插图）。b) 年轻和成熟阶段卷须的照片及其弯曲生物结构的示意图。c）双组分离轴静电纺丝方法制备高屈曲纤维气凝胶的示意图。d）屈曲纳米纤维形成的有限元模拟。e) 1 聚制造的直纳米纤维的 SEM 图像。＆1解决。静电纺丝。f) 2 聚制造的弯曲纳米纤维的 SEM 图像。＆1解决。静电纺丝。g）由2聚制造的高弯曲扭转屈曲纳米纤维的SEM图像。
图3. USCA 的材料特性。a,b) USCA 的 XRD 和 XPS 结果。c) 纳米纤维的SEM和高分辨率TEM图像。d) 展示了制备各种高屈曲陶瓷气凝胶的方法的通用性。e) MD模拟显示不同成分比例的纳米纤维在300和1400 K下的断裂过程快照。f) 单根纳米纤维在 300 K 下单轴拉伸下的 MD 模拟的应力-应变曲线。g) 平均熵作为具有不同成分比的单根纳米纤维拉伸应变的函数。h) 1400 K 单轴拉伸下单根纳米纤维的 MD 模拟应力-应变曲线。阳极电极的表层孔隙FESEM图像；c) 毛坯和 f) THCS 阳极电极的 FESEM 表面形貌。
图3. USCA 的材料特性。a,b) USCA 的 XRD 和 XPS 结果。c) 纳米纤维的SEM和高分辨率TEM图像。d) 展示了制备各种高屈曲陶瓷气凝胶的方法的通用性。e) MD模拟显示不同成分比例的纳米纤维在300和1400 K下的断裂过程快照。f) 单根纳米纤维在 300 K 下单轴拉伸下的 MD 模拟的应力-应变曲线。g) 平均熵作为具有不同成分比的单根纳米纤维拉伸应变的函数。h) 1400 K 单轴拉伸下单根纳米纤维的 MD 模拟应力-应变曲线。阳极电极的表层孔隙FESEM图像；c) 毛坯和 f) THCS 阳极电极的 FESEM 表面形貌。
图4. USCA 的拉伸性。a) USCA的单轴拉伸应变高达150%，而传统的直纳米纤维陶瓷气凝胶的应变仅为11.4%。USCA 在单轴张力下的实验快照（插图）。b) USCA与其他纳米纤维陶瓷气凝胶相比的最大拉伸应变和极限应力。c) 起皱的纳米纤维从其原始结构拉伸至> 150%的应变而不断裂。d) 不同Zr-Si摩尔比的陶瓷气凝胶在环境温度下的最大拉伸应变。e) 80%应变500次循环的抗拉疲劳试验。f) 不同单轴拉伸应变下 USCA 的 ν 接近于零。单轴拉伸下 USCA 接近零 ν 行为的实验快照（插图）。g) 通过原位 SEM 观察 USCA 在单轴拉伸过程中的微观结构演变。
图4. USCA 的拉伸性。a) USCA的单轴拉伸应变高达150%，而传统的直纳米纤维陶瓷气凝胶的应变仅为11.4%。USCA 在单轴张力下的实验快照（插图）。b) USCA与其他纳米纤维陶瓷气凝胶相比的最大拉伸应变和极限应力。c) 起皱的纳米纤维从其原始结构拉伸至> 150%的应变而不断裂。d) 不同Zr-Si摩尔比的陶瓷气凝胶在环境温度下的最大拉伸应变。e) 80%应变500次循环的抗拉疲劳试验。f) 不同单轴拉伸应变下 USCA 的 ν 接近于零。单轴拉伸下 USCA 接近零 ν 行为的实验快照（插图）。g) 通过原位 SEM 观察 USCA 在单轴拉伸过程中的微观结构演变。
图5. USCA 的热性能。a) 不同温度下 USCA 的接近于零的 α 值以及 1000 °C 下直纤维和高屈曲纤维的 α 值的有限元模拟（插图）。b) 在丁烷喷灯火焰的热量下，在 50% 应变下的拉伸和恢复过程。c) USCA在100次剧烈热冲击循环之前和之后的机械性能。插图：USCA 在一次热冲击中的红外图像。d) USCA 的热导率与从 0 到 100% 的拉伸应变的关系（空气中的稳态热测量）。e) USCA 的导热率在零和 50% 拉伸应变下作为温度的函数，显示出拉伸不敏感的隔热性能。d、e 中的误差线表示 κ 的标准偏差。f) 单轴拉伸下的 USCA 热防护照片和红外图像。g) 变形飞机的插图。h) 变形机翼结构。i) USCA 和传统陶瓷气凝胶（厚度约 8 mm）在 1000 °C 下变形机翼模型的隔热性能。
图5. USCA 的热性能。a) 不同温度下 USCA 的接近于零的 α 值以及 1000 °C 下直纤维和高屈曲纤维的 α 值的有限元模拟（插图）。b) 在丁烷喷灯火焰的热量下，在 50% 应变下的拉伸和恢复过程。c) USCA在100次剧烈热冲击循环之前和之后的机械性能。插图：USCA 在一次热冲击中的红外图像。d) USCA 的热导率与从 0 到 100% 的拉伸应变的关系（空气中的稳态热测量）。e) USCA 的导热率在零和 50% 拉伸应变下作为温度的函数，显示出拉伸不敏感的隔热性能。d、e 中的误差线表示 κ 的标准偏差。f) 单轴拉伸下的 USCA 热防护照片和红外图像。g) 变形飞机的插图。h) 变形机翼结构。i) USCA 和传统陶瓷气凝胶（厚度约 8 mm）在 1000 °C 下变形机翼模型的隔热性能。

结论

我们共同证明，基于高屈曲纳米纤维的陶瓷气凝胶的仿生设计和合成可产生高达 150% 拉伸应变的超大拉伸性和拉伸不敏感的隔热性能。接近零的泊松比和接近零的热膨胀系数赋予气凝胶优异的热机械稳定性。所得材料具有卓越的拉伸变形性、热机械稳定性和高温隔热性能的独特组合，超出了典型陶瓷气凝胶的范围，从而定义了一种在极端条件下（例如空气/空气）下具有吸引力的隔热材料系统。航天器、月球/火星基地、锂电池、工业炉和太空/消防服。此外，这种超拉伸气凝胶还为柔性电子产品、电池、过滤器、传感器和机器人的热管理提供了机会。

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