提到海綿你會想到什么?是那只黃色憨憨的海綿寶寶?還是女生化妝必備海綿蛋?

《自然·通訊》:能屈能伸的陶瓷!像海綿一樣Q彈還能隔熱吸音

不不不,今天我們要介紹的是——陶瓷海綿材料。

提到陶瓷,我們都會想到它又硬又脆的質(zhì)地,這跟Q彈的海綿還能扯上關(guān)系?

沒錯,這種陶瓷海綿材料不僅具有陶瓷耐高溫的特點,同時具有海綿的高彈性。

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陶瓷海綿材料因其重量輕、比表面積大、導(dǎo)熱系數(shù)低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點而備受關(guān)注。由于這些特性,海綿陶瓷材料被廣泛應(yīng)用于包括保溫、水處理、催化劑載體、能量吸收等各種領(lǐng)域。

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亮點

傳統(tǒng)的陶瓷海綿材料通常由陶瓷氧化物制成,陶瓷材料固有的脆性以及制備工藝復(fù)雜嚴重限制了實際應(yīng)用。因此,迫切需要簡便方法來具制備有良好柔韌性、高壓縮性、耐高低溫的陶瓷海綿材料。

那么與傳統(tǒng)的陶瓷海綿材料相比,本文所介紹的陶瓷海綿材料有什么優(yōu)點呢?

近日,北京大學(xué)韋小丁研究員團隊、清華伍暉副教授團隊采用了一種簡單易行的方法——溶膠-凝膠溶液吹紡技術(shù)成功地制備出具有超細纖維層的各向異性層狀SiO2-Al2O3復(fù)合陶瓷海綿(SAC海綿)。

這種方法是用氣壓推動含陶瓷原料的溶液從微孔洞中噴出,然后凝固成納米纖維。用紡絲裝置收集后加熱除掉溶劑,最后得到陶瓷海綿。與電紡纖維重建和氫鍵組裝相比,此方法不需要耗時且耗能的冷凍干燥過程,也不像化學(xué)氣相沉積和原子層沉積法制備條件極其嚴格。

SAC海綿具有各向異性層狀結(jié)構(gòu),在高達80%的應(yīng)變下表現(xiàn)出高可壓縮性,在50%的應(yīng)變下具有600個循環(huán)的高壓縮抗疲勞性。此外,層狀結(jié)構(gòu)和陶瓷使SAC海綿具有強大的耐火性,從-196°C到1000°C的溫度不變壓縮回彈力,以及出色的隔熱性能,導(dǎo)熱系數(shù)低至0.034 W m-1K?-1。SAC海綿還具有出色的吸音性能(NRC為0.77)。SAC海綿有望成為目前隔熱吸聲的脆性材料的替代品。

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SAC海綿的制備

如圖1所示,各向異性層狀SAC海綿的制造過程包括三個步驟:聚乙烯醇(PVA)-TEOS-AlCl3溶膠-凝膠溶液的制備,溶膠-凝膠溶液的吹塑紡絲和預(yù)紡的PVA-SiO2-Al2O3復(fù)合物(PSAC)海綿的煅燒。

PVA用作TEOS和AlCl3的增粘劑,以促進凝膠化過程同時用作吹塑紡絲過程中形成微纖維的模板。添加AlCl3能促進TEOS的水解,快速獲得透明可紡的溶液,AlCl3也是產(chǎn)生具有各向異性層狀結(jié)構(gòu)和大量堆疊的微纖維層海綿的原因。SAC海綿是將初紡的PSAC海綿在空氣中煅燒除去殘留有機成分而獲得。

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圖1.SAC海綿的制備過程

 

SAC海綿的形態(tài)

如圖2所示,SAC海綿塊的外觀為白色,從SAC海綿的SEM俯視圖中看到隨機的纖維分布,并且在SAC海綿的橫截面中看到層狀結(jié)構(gòu)和定向的纖維分布。SAC海綿是輕質(zhì)的,密度低至10 mg cm-3,?能夠切成各種所需的形狀。

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圖2.?SAC海綿的形態(tài)

 

SAC海綿的柔韌性和可壓縮性。

研究人員用370克金屬塊對SiO2海綿和SAC海綿的柔韌性和機械可壓縮性進行了研究,如圖3所示,這兩個海綿由于具有高柔韌性和孔隙率,被壓縮超過80%的應(yīng)變。然而,SiO2海綿變形不能完全恢復(fù)。令人驚訝的是,壓力釋放后SAC海綿完全恢復(fù)形狀,尺寸沒有明顯變化,說明了其高度可壓縮的特性。SAC海綿的各向異性結(jié)構(gòu)是可壓縮性的原因。

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圖3.機械性能

 

SAC海綿的抗壓縮疲勞性

研究人員進行了多循環(huán)壓縮測試,如圖4所示,SAC海綿在最小為100 mm的加載速率下可承受最大應(yīng)變?yōu)?0%的600個加載-卸載疲勞循環(huán)。此外,經(jīng)600次循環(huán)后,應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯變化,SAC海綿保留了初始最大應(yīng)力的88.3%,在室溫下長期保存后,SAC海綿的機械性能沒有明顯降低,這歸因于SAC海綿的分層結(jié)構(gòu)。原始的SAC海綿有許多空隙,密度低。在壓縮下SAC海綿中的微纖維層更致密,且纖維未在壓縮過程中斷裂,以上結(jié)果表明SAC海綿具有出色的抗壓縮疲勞性。

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圖4.抗壓縮疲勞性

 

SAC海綿的耐高低溫性

測試表明,密度為13?mg cm-3的SAC海綿在垂直于纖維層方向的導(dǎo)熱系數(shù)在20°C下為0.034 W m-1K-1,與其他隔熱材料相當。SAC海綿的低導(dǎo)熱性歸因于低密度和層狀結(jié)構(gòu),大量空氣保留在微纖維層內(nèi)和微纖維層之間,且Al2O3可以抑制SiO2的結(jié)晶,SiO2和Al2O3的組合賦予SAC海綿優(yōu)異的耐候性和高低溫下的高可壓縮性。當SAC海綿在1000°C下處理24小時后壓縮時,經(jīng)過處理的壓縮SAC海綿恢復(fù)原始形狀,沒有觀察到明顯結(jié)構(gòu)變化,同樣在液態(tài)N2(-196°C)中處理24小時后壓縮,釋放應(yīng)力后,SAC海綿仍恢復(fù)了原始形狀,沒有出現(xiàn)明顯斷裂。

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SAC海綿的吸聲性能

多孔材料的吸聲性能可以通過降噪系數(shù)(NRC)進行評估。如圖5所示,與其他吸聲材料相比,SAC海綿具有輕便的特性和優(yōu)異的吸音性能,厚度為29毫米的SAC海綿的NRC值為0.77。這是因為SAC海綿具有層狀結(jié)構(gòu),能使聲波在層之間多次吸收,SAC海綿中的超細纖維表面粗糙,會增加聲波與材料間的摩擦,導(dǎo)致更多的聲能消耗,同時纖維的振動也能吸聲。

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圖5.吸聲性能

 

結(jié)論

在本篇文章中,研究人員采用簡單易行的溶膠-凝膠溶液吹紡技術(shù)開發(fā)了一種具有溫度不變的高壓縮性的各向異性層狀SAC海綿,可實現(xiàn)高達80%應(yīng)變的出色機械壓縮性,在50%應(yīng)變下具有600個循環(huán)的高壓縮抵疲勞抗性和強大的機械穩(wěn)定性。此外,層狀結(jié)構(gòu)和陶瓷組件還為SAC海綿提供了優(yōu)異的耐火性和吸聲性能,有望用作防火材料、高溫絕熱材料、聲能吸收劑和催化劑載體。

原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17533-6

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