超弹性陶瓷纳米气凝胶的研究

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【引言】

超低密度陶瓷气凝胶由于其低密度和热导率,化学和热力学惰性,高孔隙率和大表面积等优异特性而极具吸引力,并且已经广泛用于催化,电,环境和能量等领域。然而与目前大多数多孔陶瓷材料一样,这些陶瓷气凝胶多为刚性和脆性,在断裂之前只有轻微的弹性变形,除非它们与聚合物混合或在先前存在的碳网络上生长。在仅由陶瓷组分构成的气凝胶中还从未观察到由聚合物或碳制成的气凝胶中获得过超弹性。由于已知陶瓷的特定弹性弯曲应变低于聚合物或碳的弹性弯曲应变,因而在多孔陶瓷网络中实现超弹性将会一次重大挑战。最近,有学者通过柔韧的SiO2纳米纤维与铝硼硅酸盐(AlBSi)基体结合来制备超弹性层状结构陶瓷纳米纤维气凝胶,使得陶瓷气凝胶具备了超弹性。

【成果简介】

近日,东华大学俞建勇院士及丁彬教授(通讯作者)带领的纳米纤维研究团队在Science Advances上发布了一篇关于陶瓷气凝胶的文章,题为“Ultralight and fire-resistant ceramic nanofibrous aerogels with temperature-invariant superelasticity”。作者通过将SiO2纳米纤维与铝硼硅酸盐基质结合来制备超弹性层状结构陶瓷纳米纤维气凝胶(CNFAs)。这种方法成功地将随机沉积的SiO2纳米纤维大规模组装成具有可调节密度和预期形状的弹性陶瓷气凝胶。CNFAs密度低,可从80%的应变迅速恢复,在1100℃的高温下泊松比为零,具有不随温度而变的超弹性。此外,整体陶瓷特性还为CNFAs提供了强大的耐火性和隔热性能,类新型材料可为轻质,弹性和结构适应性陶瓷的发展提供新方向。

【图片导读】

图1 CNFAs的结构设计和蜂窝体系结构

超弹性陶瓷纳米气凝胶的研究

(a) CNFAs制备流程的示意图;

(b) CNFAs元素的XPS谱;

(c) 由丁烷喷灯加热的CNFA没有任何损坏;

(d) 不同形状的CNFA的光学图像;

(e) 立于羽毛尖端CNFA的光学图像;

(f-h) NFAs在不同放大倍数下的显微结构展示了分级纳米纤维细胞状结构;

(i) 分别具有对应Si,O,Al和B的元素映射图像的单纳米纤维的STEM-EDS图像;

(j) 相关结构的三个层次。

图2 CNFAs的多循环压缩性质

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(a) 随着ε振幅的增加,加载-卸载循环过程中压缩σ与ε的曲线;

(b) 压缩ε为60%的500次循环疲劳试验;

(c) 杨氏模量,能量损失系数和最大应力与压缩循环;

(d) CNFAs与ε的泊松比;

(e) 压缩下纳米纤维细胞壁的反转示意图;

(f-g) 单个细胞和单一纳米纤维曲率半径的SEM图像;

(h) 弯曲二氧化硅纳米纤维微结构的示意图;

(i) 一组实时图像,显示CNFAs可以高速反弹钢球;

(j) NFAs的储能模量,损耗模量和阻尼比的频率依赖性;

(k) 低密度选定细胞气凝胶的相对杨氏模量。

图3 CNFAs在很宽的温度范围内的力学性能

超弹性陶瓷纳米气凝胶的研究

(a-c) CNFAs的储能模量,损耗模量和阻尼比与角频率的关系图;

(d) CNFAs在各种温度下处理30分钟后的压缩和恢复工作;

(e) 在1000°C,1200°C和1400°C处理30分钟后CNFA的XRD图谱;

(f) 在1200°C和1400°C处理30分钟后CNFA的SEM图像;

(g-h) 在酒精灯和丁烷喷灯火焰中CNFAs的压缩和恢复过程。

图4 CNFAs的隔热性能

超弹性陶瓷纳米气凝胶的研究


(a) CNFAs的导热率与密度的函数关系;

(b) 气凝胶样材料的导热率与最大工作温度的关系;

(c) 用于绝热应用的大规模CNFA的光学图像;

(d) CNFAs的保温能力与FeSiO2和Al2O3材料做比较;

(e) CNFAs在350℃加热阶段30分钟的光学和红外图像;

(f) CNFA在丁烷喷灯下暴露120秒后的光学和红外图像。

【小结】

本文通过将分层的细胞纤维结构和AlBSi结合的SiO2纳米纤维的组合,使超轻陶瓷基气凝胶可以具备超弹性。凭借其超低密度,弹性可压缩性,零泊松比,温度不变超弹性,低导热性和耐火性,预计这些卓越的CNFAs材料将在绝热,催化剂载体,吸附剂,柔性电气设备和电磁,能量,声学或振动阻尼等多个领域发挥重要作用。此外,作者还提出了CNFAs制备和弹性机制的基本原则。因此,可以预计,类似于SiO2纳米纤维的其他各种其他陶瓷纳米纤维都可能参与CNFA的制备,为开发新型基于陶瓷的功能性气凝胶提供了机遇。

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