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      超彈性陶瓷納米氣凝膠的研究

      時間:2024-03-29 15:38:50       瀏覽:288

      引言

      超低密度陶瓷氣凝膠由于其低密度和熱導率,化學和熱力學惰性,高孔隙率和大表面積等優異特性而極具吸引力,并且已經廣泛用于催化,電,環境和能量等領域。然而與目前大多數多孔陶瓷材料一樣,這些陶瓷氣凝膠多為剛性和脆性,在斷裂之前只有輕微的彈性變形,除非它們與聚合物混合或在先前存在的碳網絡上生長。在僅由陶瓷組分構成的氣凝膠中還從未觀察到由聚合物或碳制成的氣凝膠中獲得過超彈性。由于已知陶瓷的特定彈性彎曲應變低于聚合物或碳的彈性彎曲應變,因而在多孔陶瓷網絡中實現超彈性將會一次重大挑戰。最近,有學者通過柔韌的SiO2納米纖維與鋁硼硅酸鹽(AlBSi)基體結合來制備超彈性層狀結構陶瓷納米纖維氣凝膠,使得陶瓷氣凝膠具備了超彈性。

      成果簡介

      近日,東華大學俞建勇院士及丁彬教授(通訊作者)帶領的納米纖維研究團隊Science Advances上發布了一篇關于陶瓷氣凝膠的文章,題為“Ultralight and fire-resistant ceramic nanofibrous aerogels with temperature-invariant superelasticity”。
      作者通過將SiO2納米纖維與鋁硼硅酸鹽基質結合來制備超彈性層狀結構陶瓷納米纖維氣凝膠(CNFAs)。這種方法成功地將隨機沉積的SiO2納米纖維大規模組裝成具有可調節密度和預期形狀的彈性陶瓷氣凝膠。CNFAs密度低,可從80%的應變迅速恢復,在1100℃的高溫下泊松比為零,具有不隨溫度而變的超彈性。此外,整體陶瓷特性還為CNFAs提供了強大的耐火性和隔熱性能,類新型材料可為輕質,彈性和結構適應性陶瓷的發展提供新方向。

      圖片導讀

      圖1 CNFAs的結構設計和蜂窩體系結構

      氣凝膠

      (a) CNFAs制備流程的示意圖;

      (b) CNFAs元素的XPS譜;

      (c) 由丁烷噴燈加熱的CNFA沒有任何損壞;

      (d) 不同形狀的CNFA的光學圖像;

      (e) 立于羽毛尖端CNFA的光學圖像;

      (f-h) NFAs在不同放大倍數下的顯微結構展示了分級納米纖維細胞狀結構;

      (i) 分別具有對應Si,O,Al和B的元素映射圖像的單納米纖維的STEM-EDS圖像;

      (j) 相關結構的三個層次。

      圖2 CNFAs的多循環壓縮性質

      氣凝膠
      (a) 隨著ε振幅的增加,加載-卸載循環過程中壓縮σ與ε的曲線;

      (b) 壓縮ε為60%的500次循環疲勞試驗;

      (c) 楊氏模量,能量損失系數和最大應力與壓縮循環;

      (d) CNFAs與ε的泊松比;

      (e) 壓縮下納米纖維細胞壁的反轉示意圖;

      (f-g) 單個細胞和單一納米纖維曲率半徑的SEM圖像;

      (h) 彎曲二氧化硅納米纖維微結構的示意圖;

      (i) 一組實時圖像,顯示CNFAs可以高速反彈鋼球;

      (j) NFAs的儲能模量,損耗模量和阻尼比的頻率依賴性;

      (k) 低密度選定細胞氣凝膠的相對楊氏模量。

      圖3 CNFAs在很寬的溫度范圍內的力學性能

      氣凝膠

      (a-c) CNFAs的儲能模量,損耗模量和阻尼比與角頻率的關系圖;

      (d) CNFAs在各種溫度下處理30分鐘后的壓縮和恢復工作;

      (e) 在1000°C,1200°C和1400°C處理30分鐘后CNFA的XRD圖譜;

      (f) 在1200°C和1400°C處理30分鐘后CNFA的SEM圖像;

      (g-h) 在酒精燈和丁烷噴燈火焰中CNFAs的壓縮和恢復過程。

      圖4 CNFAs的隔熱性能

      氣凝膠
      (a) CNFAs的導熱率與密度的函數關系;

      (b) 氣凝膠樣材料的導熱率與最大工作溫度的關系;

      (c) 用于絕熱應用的大規模CNFA的光學圖像;

      (d) CNFAs的保溫能力與FeSiO2和Al2O3材料做比較;

      (e) CNFAs在350℃加熱階段30分鐘的光學和紅外圖像;

      (f) CNFA在丁烷噴燈下暴露120秒后的光學和紅外圖像。

      小結

      本文通過將分層的細胞纖維結構和AlBSi結合的SiO2納米纖維的組合,使超輕陶瓷基氣凝膠可以具備超彈性。憑借其超低密度,彈性可壓縮性,零泊松比,溫度不變超彈性,低導熱性和耐火性,預計這些卓越的CNFAs材料將在絕熱,催化劑載體,吸附劑,柔性電氣設備和電磁,能量,聲學或振動阻尼等多個領域發揮重要作用。此外,作者還提出了CNFAs制備和彈性機制的基本原則。因此,可以預計,類似于SiO2納米纖維的其他各種其他陶瓷納米纖維都可能參與CNFA的制備,為開發新型基于陶瓷的功能性氣凝膠提供了機遇。

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