擁有優(yōu)良機(jī)械性能的阻熱材料被廣泛應(yīng)用于建筑、工廠以及航天飛行器等。相比傳統(tǒng)的阻熱材料，陶瓷氣凝膠擁有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和阻熱性能（熱傳導(dǎo)率僅為12-20 mW/m·K），因此，陶瓷氣凝膠在阻熱領(lǐng)域有十分廣闊的應(yīng)用前景。但是陶瓷氣凝膠質(zhì)地十分脆，在高溫下會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上的破壞，這些缺點(diǎn)限制了陶瓷氣凝膠的應(yīng)用。
為了解決這些缺陷，近幾年的研究都集中在利用納米材料制作阻熱氣凝膠，如氧化物納米纖維海綿、Si3N4納米帶狀氣凝膠等等。由納米材料組合而成的氣凝膠雖然提升了氣凝膠的機(jī)械性能，但是納米纖維組裝過(guò)程中形成的宏觀孔洞使得氣凝膠的阻熱性能下降。同時(shí)，由納米結(jié)構(gòu)組裝成的氣凝膠質(zhì)地變得更加柔軟。以上兩點(diǎn)因素限制了納米材料組裝成得氣凝膠的應(yīng)用。
近期，西安交通大學(xué)王紅潔團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種由SiC納米纖維組裝而成的具有蜂窩狀的氣凝膠。通過(guò)1000 ℃處理，在SiC納米纖維表面形成一層SiO2，形成的SiO2層可以實(shí)現(xiàn)SiC納米纖維之間的連接，在提升氣凝膠的機(jī)械性能的同時(shí)提升了其阻熱性能、熱穩(wěn)定性能和化學(xué)穩(wěn)定性。該氣凝膠的熱傳導(dǎo)率可以低至14 mW/m·K，而其壓縮模量約為24.7 KN·m/kg。在經(jīng)過(guò)丁烷噴槍?zhuān)ㄗ罡邷囟瓤蛇_(dá)1200?℃)燒過(guò)以后，氣凝膠的微觀機(jī)構(gòu)和機(jī)械性能無(wú)明顯改變。以上幾點(diǎn)證明了該氣凝膠優(yōu)異的性能。
蜂窩狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各向異性熱導(dǎo)率
在氣凝膠的制備過(guò)程中，將SiC納米纖維分散在去離子水中，利用銅棒實(shí)現(xiàn)定向冷凍鑄造，凍干后得到具有蜂窩狀的氣凝膠。而蜂窩狀的機(jī)構(gòu)使得氣凝膠具有各向異性熱導(dǎo)率的特性。
眾所周知，熱傳遞的形式有三種，分別是熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱，以及熱輻射。當(dāng)熱在縱向傳導(dǎo)時(shí)，由于通孔導(dǎo)致使得對(duì)流傳熱得以實(shí)現(xiàn)，而壁面也可以實(shí)現(xiàn)熱的傳導(dǎo)，這兩點(diǎn)使得氣凝膠縱向的熱導(dǎo)率可以達(dá)到35 mW/m·K。而在熱在橫向傳導(dǎo)時(shí)，傳導(dǎo)過(guò)程主要通過(guò)固體的熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。而橫向的熱傳導(dǎo)路徑比縱向傳導(dǎo)更為曲折，使得熱的傳遞更加困難。在橫向熱傳遞的熱導(dǎo)率僅為縱向的40%。
SiO2連接SiC納米纖維，增加氣凝膠的機(jī)械性能
由于氣凝膠的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，使得氣凝膠的力學(xué)性能也呈現(xiàn)各向異性。在縱向，氣凝膠呈現(xiàn)比其他纖維組裝氣凝膠更高的硬度和壓縮模量（24.7 KN·m/kg），而氣凝膠在壓過(guò)以后仍然可以回復(fù)而不會(huì)破損。其主要原因是由于SiO2外殼實(shí)現(xiàn)了SiC納米纖維連接，使得纖維在彎折后可以回復(fù)。
而在橫向，氣凝膠也展現(xiàn)了優(yōu)異的回復(fù)性能。在反復(fù)100次的壓縮-松弛循環(huán)過(guò)程中，氣凝膠的高度幾乎不變。在壓縮過(guò)程中，蜂窩壁與壁之間的夾角縮?。◤?26°變?yōu)?00°），而在松開(kāi)后可以復(fù)原。壓縮模量雖然在前20次循環(huán)過(guò)程中有所下降，但是后80次循環(huán)模量也幾乎不變。這證明了氣凝膠優(yōu)良的機(jī)械性能，拓寬了氣凝膠的應(yīng)用場(chǎng)景。
SiO2包裹SiC納米纖維，提升氣凝膠的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性
在制備氣凝膠的過(guò)程中，通過(guò)1000℃的處理，使得在SiC表面形成了一層SiO2，而SiO2十分穩(wěn)定（熔點(diǎn)可達(dá)1732℃），因此增加了氣凝膠的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。在1200℃的灼燒下，氣凝膠可以保持優(yōu)良的機(jī)械性能，通過(guò)掃描電鏡觀察，微觀的纖維結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有變化。在灼燒的過(guò)程中，還可以實(shí)現(xiàn)氣凝膠的壓縮和回復(fù)。
總結(jié)全文
作者通過(guò)在SiC納米纖維表面燒結(jié)出一層SiO2，使得由SiC組裝而成的氣凝膠的機(jī)械性能，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性都得到了提升，克服了傳統(tǒng)陶瓷氣凝膠和其他納米結(jié)構(gòu)組裝氣凝膠的劣勢(shì)。SiC@SiO2氣凝膠優(yōu)異的隔熱性能和機(jī)械性能使得其擁有廣闊的應(yīng)用前景。該工作題為“Anisotropic and hierarchical SiC@SiO2 nanowire aerogel with exceptional stiffness and stability forthermal superinsulation”發(fā)表在《sicence advance》上。
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