隔熱材料在節(jié)能、熱保護(hù)等領(lǐng)域具有重要意義。本文利用可控定向冷凍鑄造方法制備了的氣凝膠呈現(xiàn)各種突出的性能。包括：徑向熱超絕熱性能、可恢復(fù)徑向壓縮、高軸向剛度、良好的熱、化學(xué)穩(wěn)定性（甚至在含氧環(huán)境中1200℃時(shí)也能穩(wěn)定）。這些綜合的特性保證了該氣凝膠作為一種有前景的隔熱材料在極端環(huán)境下的安全應(yīng)用。
具有優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度、高效率、出色的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的隔熱材料對(duì)于節(jié)能和熱保護(hù)的安全應(yīng)用建筑、工業(yè)和航空航天領(lǐng)域具有重要意義。與傳統(tǒng)的絕熱材料相比，陶瓷氣凝膠由于其低的熱導(dǎo)率（例如二氧化硅氣凝膠熱導(dǎo)率為12-20 mW/m·K）和良好的化學(xué)穩(wěn)定性（例如耐火性能）呈現(xiàn)出色的性能。但是，由氧化物納米粒子組成陶瓷的脆性和高溫下的結(jié)構(gòu)崩潰會(huì)限制常規(guī)陶瓷氣凝膠的廣泛應(yīng)用。一些新興可回收的石墨烯氣凝膠近年來收到關(guān)注，例如自然干燥的石墨烯氣凝膠（在空氣中熱導(dǎo)率為18 mW/m·K），氨基硅烷交聯(lián)的石墨烯氣凝膠（空氣中19 mW/m·K）和三維石墨烯支架（真空中12.6 mW/m·K）。但是，由于石墨烯基材料在高于600 °C時(shí)容易發(fā)生分解行為，因此它們很難在高溫和含氧條件下使用。
為了克服這些阻礙，近日，西安交通大學(xué)王紅潔教授（通訊作者）等研究人員通過定向冷凍法和隨后的熱處理制備了具有納米線組裝各向異性和分層結(jié)構(gòu)的SiC@SiO2納米線氣凝膠。這種氣凝膠表現(xiàn)出超低熱導(dǎo)率，約為14 mW/m·K，具有出色的高剛度(24.7 kN·m/kg)和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，即使丁烷噴燈加熱1200℃條件下也能保持穩(wěn)定，這也使得它成為一個(gè)理想的可在極端條件下使用的熱絕緣材料！相關(guān)研究工作以“Anisotropic and hierarchical SiC@SiO2 nanowire aerogel with exceptional stiffness and stability for thermal superinsulation”為題發(fā)表在國際頂級(jí)期刊《Science advances》上。
圖1. AH-SSCSNWA氣凝膠的制備流程、氣凝膠力學(xué)性能和耐火性測(cè)試
圖2. AH-SSCSNWA氣凝膠的相關(guān)結(jié)構(gòu)表征
圖3AH-SSCSNWA氣凝膠的絕熱性能測(cè)試
該氣凝膠在徑向和軸向方向上測(cè)得的熱導(dǎo)率分別約為14 mW/m·K和35 mW/m·K，各向異性系數(shù)約為2.5。AH-SSCSNWA氣凝膠的徑向熱導(dǎo)率低于具有無規(guī)分布微結(jié)構(gòu)SiC納米線氣凝膠（其熱導(dǎo)率為26 mW/m·K），這也證明各向異性和分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。眾所周知，傳導(dǎo)，對(duì)流和輻射是導(dǎo)熱的三種方式，在微觀尺度上，對(duì)齊的孔充當(dāng)氣體對(duì)流的通道，而對(duì)齊的管壁充當(dāng)軸向上的固體傳導(dǎo)的通道，這將增加軸向上的傳熱并因此降低徑向上的導(dǎo)熱率。使用納米線構(gòu)造塊會(huì)帶來大量的聲子勢(shì)壘，導(dǎo)致界面熱阻增加，從而降低了固體傳導(dǎo)。
圖4 AH-SSCSNWA氣凝膠的軸向機(jī)械性能測(cè)試
圖5 AH-SSCSNWA氣凝膠的徑向機(jī)械性能測(cè)試
AH-SSCSNWA氣凝膠在徑向上顯示出優(yōu)異的機(jī)械柔韌性，該氣凝膠在軸向方向上表現(xiàn)出剛性變形行為，呈現(xiàn)較高的硬度和壓縮模量（24.7 KN·m/kg）。
圖6 AH-SSCSNWA氣凝膠的耐火性和耐高溫性能測(cè)試
熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性是評(píng)估絕熱材料應(yīng)用安全性的另一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，通過在空氣爐中1000 ℃等溫處理證明了該AH-SSCSNWA氣凝膠良好的熱穩(wěn)定性。
綜上所述，作者利用可控定向冷凍鑄造方法，結(jié)合隨后的熱處理工藝，制備了各向異性分層的SiC@SiO2納米線氣凝膠，納米線組裝成排列的管狀孔。氣凝膠呈現(xiàn)各種突出的性能，包括徑向熱超絕熱性能(14 mW / m·K)，可恢復(fù)徑向壓縮，高軸向剛度(24.7 kN·m/kg)，和良好的熱、化學(xué)穩(wěn)定性(甚至在含氧環(huán)境中1200 oC時(shí)也能穩(wěn)定)。這些綜合的特性保證了該氣凝膠作為一種有前景的隔熱材料在極端環(huán)境下的安全應(yīng)用，特別是在高溫和含氧條件下，在這些條件下，傳統(tǒng)的聚合物絕緣材料很容易著火，陶瓷納米顆?；鶜饽z通常會(huì)發(fā)生崩塌。這種陶瓷氣凝膠的設(shè)計(jì)和制備也為其他高性能納米結(jié)構(gòu)材料的研究提供了借鑒。
