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。

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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。

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圖一:SiC@SiO2氣凝膠的制造過(guò)程以及機(jī)械性能和耐火性概述。(A)SiC@SiO2氣凝膠的制造過(guò)程。(B)一塊體積約為15立方厘米的SiC@SiO2氣凝膠的照片,站在葉子上,表明其超低密度。(C)照片顯示20克重可以由一塊重量為5毫克的SiC@SiO2氣凝膠支撐,這表明SiC@SiO2氣凝膠的高硬度。(D)垂直燃燒測(cè)試顯示良好SiC@SiO2氣凝膠的耐火性。

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%。

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圖二:SiC@SiO2氣凝膠的熱超絕熱性能。SiC@SiO2氣凝膠分別在(A)軸向和(B)徑向上的導(dǎo)熱行為,顯示了不同方向的各向異性傳熱行為。(C)SiC@SiO2氣凝膠在軸向和徑向上的熱導(dǎo)率。(D)示意圖顯示了實(shí)現(xiàn)熱超隔熱的機(jī)制。

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)。

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圖三:SiC@SiO2氣凝膠在軸向上的機(jī)械性能。(A)SiC@SiO2氣凝膠的軸向壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示四個(gè)變形區(qū)域:線性彈性狀態(tài)<2.5%應(yīng)變,非線性彈性狀態(tài)2.5至7%應(yīng)變,塑性屈服平穩(wěn)期在7至48%應(yīng)變,以及48%應(yīng)變后的致密化過(guò)程。插圖顯示了0至50%應(yīng)變范圍內(nèi)的放大曲線。(B)SiC@SiO2氣凝膠的比模量比較以及其他具有隨機(jī)結(jié)構(gòu)的氣凝膠。(C)SiC@SiO2氣凝膠的機(jī)械性能,密度范圍為1.4至6.5 mg / cm3在軸向上。(D)不同高度多孔結(jié)構(gòu)的相對(duì)楊氏模量繪制在其相對(duì)密度上。(E)SiC@SiO2氣凝膠在彈性中的結(jié)構(gòu)演變軸向壓縮區(qū)域。(F)SiC@SiO2氣凝膠在軸向方向上的連續(xù)卸荷壓縮試驗(yàn)。

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。

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圖四:SiC@SiO2氣凝膠在徑向上的機(jī)械性能。(A)SiC@SiO2氣凝膠的徑向壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線,顯示高壓縮率。(B)SiC@SiO2氣凝膠的機(jī)械性能,密度范圍為1.4至6.5 mg / cm3在徑向上。(C)結(jié)構(gòu)的演變SiC@SiO2氣凝膠在徑向壓縮和釋放過(guò)程中。(D)SiC@SiO2氣凝膠的百條循環(huán)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線徑向。(E)100個(gè)壓縮周期內(nèi)的相對(duì)高度演變。(F)在100次壓縮循環(huán)中最大應(yīng)力演變。

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)。

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圖五:SiC@SiO2氣凝膠的耐火性和高溫性。(A)一塊SiC@SiO2氣凝膠的等溫?zé)崽幚砬昂蟮暮暧^形態(tài)在1000°C的空氣爐中放置30分鐘。(B和C)SiC@SiO2氣凝膠在1000°C下等溫處理30分鐘后在軸向和徑向上的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線方向。圖6B中的插圖顯示了在1000°C等溫處理30分鐘后納米線的TEM圖像。(D)一塊SiC@SiO2氣凝膠丁烷噴燈的加熱。(E)通過(guò)使用紅外熱像儀檢測(cè)到的氣凝膠表面溫度分布。(F)之后的氣凝膠照片被丁烷噴槍處理30分鐘。(G)經(jīng)丁烷吹管處理30分鐘后的氣凝膠的SEM。(H)重復(fù)壓縮恢復(fù)丁烷吹管下氣凝膠的能力。(I)在大氣中獲得的氣凝膠的TGA曲線。(J)丁烷處理后的納米線的TEM圖像吹火炬30分鐘。(K)丁烷噴燈處理30分鐘之前和之后氣凝膠的FTIR光譜。(L)在含氧環(huán)境中熱絕緣體的最高工作溫度

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。

全文鏈接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/26/eaay6689

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