陶瓷氣凝膠是迄今為止已知的最輕的固體材料，具有超低熱導(dǎo)率、超高孔隙率和大比表面積，使其成為隔熱、催化劑載體和超濾材料的理想候選材料。然而，由于低效的晶間連接和陶瓷的脆性、裂紋敏感性，傳統(tǒng)的陶瓷氣凝膠通常表現(xiàn)出非常低的強(qiáng)度和脆性。多孔材料的機(jī)械性能與其組成材料的化學(xué)鍵及其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)于陶瓷而言，強(qiáng)共價(jià)鍵和離子鍵通常會(huì)帶來(lái)高強(qiáng)度，但缺乏足夠的位錯(cuò)滑移系統(tǒng)，因此應(yīng)力更容易集中在裂紋尖端，導(dǎo)致裂紋敏感性和脆性。最近，在基于柔性納米結(jié)構(gòu)的陶瓷氣凝膠中實(shí)現(xiàn)了可逆壓縮。然而，這些改性氣凝膠在張力下仍然表現(xiàn)出快速而脆性的斷裂。因此，尋找同時(shí)具有高度可壓縮性和可拉伸性的陶瓷氣凝膠對(duì)于學(xué)術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要意義，但極具挑戰(zhàn)性。
鑒于此，西安交通大學(xué)王紅潔教授研究團(tuán)隊(duì)采用卷曲的超長(zhǎng)SiC-SiOx雙晶納米線（CSCSNW）作為構(gòu)建單元，構(gòu)建了一種高度可拉伸、對(duì)缺口不敏感且同時(shí)高度可壓縮的陶瓷氣凝膠。氣凝膠表現(xiàn)出大應(yīng)變可逆拉伸（20%）和良好的抗高速拉伸疲勞試驗(yàn)。即使對(duì)于預(yù)缺口樣品，也能在10%應(yīng)變下實(shí)現(xiàn)可逆拉伸，表明良好的抗裂性。此外，氣凝膠在空氣中顯示出28.4 mW m–1 K–1的低熱導(dǎo)率，并且在-196至1200 °C的溫度范圍內(nèi)具有良好的熱穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，有吸引力的拉伸性能源于卷曲納米線的變形、相互作用和重新定向，這可以減少應(yīng)力集中并抑制拉伸過(guò)程中裂紋的萌生和生長(zhǎng)。這項(xiàng)研究不僅擴(kuò)展了陶瓷氣凝膠在極端溫度條件下涉及復(fù)雜動(dòng)態(tài)應(yīng)力的條件下的適用性，而且有利于其他高拉伸和抗裂多孔陶瓷材料的設(shè)計(jì)，以用于各種應(yīng)用。相關(guān)工作以“Highly Stretchable, Crack-Insensitive and Compressible Ceramic Aerogel”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《ACS Nano》上。
氣凝膠的制備和微觀結(jié)構(gòu)表征
為了獲得CSCSNW氣凝膠，作者在1150°C下的氬氣中進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積（圖1）。使用自制的硅氧烷干凝膠作為起始材料，生成SiO和CO氣體，用于在爐中生長(zhǎng)CSCSNW氣凝膠。在最高溫度下保持3小時(shí)，然后自然冷卻后，在石墨基板上形成一塊氣凝膠，然后分離。凝膠的密度為～5.7 mg cm–3，具有超過(guò)99.7%的高孔隙率。氣凝膠顯示卷曲的納米線組裝的高度多孔網(wǎng)絡(luò)，納米線（SiC-SiOx）束作為內(nèi)部納米線結(jié)。納米線的直徑為10-90 nm，長(zhǎng)度超過(guò)數(shù)十至數(shù)百微米。此外，CSCSNW氣凝膠可以拉伸到超過(guò)20%的應(yīng)變而不會(huì)破裂。值得注意的是，拉伸是高度可逆的。第100次循環(huán)后僅觀察到1%的永久應(yīng)變（圖2），表明氣凝膠在高速拉伸下的堅(jiān)固性。
圖1 CSCSNW氣凝膠的制備和微觀結(jié)構(gòu)表征
氣凝膠大應(yīng)變和可逆拉伸的機(jī)制
作者從納米線的變形、相互作用和重新定向的角度理解大應(yīng)變拉伸（圖3）。首先，納米線的大屈曲變形可以在拉伸過(guò)程中儲(chǔ)存許多機(jī)械能。其次，一些機(jī)械能可以通過(guò)變形過(guò)程中接觸納米線之間的分?jǐn)?shù)耗散。第三，氣凝膠中的納米線重新定向以沿平行于拉伸方向的方向排列。最后，納米線的屈曲變形形成垂直于拉伸方向的壓應(yīng)力狀態(tài)，可以部分抵消平行于拉伸方向施加在納米線上的拉伸應(yīng)力。這些因素的結(jié)合在減少局部應(yīng)力集中或提高承載能力方面起著重要作用，從而抑制氣凝膠結(jié)構(gòu)中裂紋的產(chǎn)生，導(dǎo)致大應(yīng)變變形。
圖3拉伸過(guò)程中制備的氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)演變顯示了高和可逆拉伸的機(jī)制
氣凝膠的可逆壓縮性、高溫?zé)岱€(wěn)定性和隔熱性
作者進(jìn)一步研究了氣凝膠的可逆壓縮性、高溫?zé)岱€(wěn)定性和隔熱性（圖4）。氣凝膠可以被壓縮成80%的應(yīng)變，然后恢復(fù)到原來(lái)的形狀和大小。氣凝膠還顯示出良好的熱穩(wěn)定性。即使在約1200℃丁烷噴燈火焰的加熱，氣凝膠仍然表現(xiàn)出可逆拉伸。即使在空氣中1000°C等溫退30分鐘后，氣凝膠仍表現(xiàn)出約7%的高拉伸。氣凝膠的可逆拉伸也在液氮中（-196°C）也具有良好熱穩(wěn)定性。氣凝膠的熱導(dǎo)率經(jīng)測(cè)量在室溫下環(huán)境空氣中低至28.4 mW m–1 K–1。當(dāng)厚度為5 mm的氣凝膠正面達(dá)到1200°C時(shí)，背面的最高溫度保持在450°C左右，甚至持續(xù)了30分鐘。這種優(yōu)異的隔熱性歸因于其超低密度大大降低了固體傳導(dǎo)，以及SiC亞納米線和非晶SiOx亞納米線中密集分布的堆垛層錯(cuò)進(jìn)一步降低了聲子傳導(dǎo)。
圖4氣凝膠的可逆壓縮性、高溫?zé)岱€(wěn)定性和隔熱性
小結(jié)：作者采用卷曲的超長(zhǎng)SiC-SiOx雙晶納米線作為構(gòu)建單元，構(gòu)建了一種高度可拉伸、對(duì)缺口不敏感且同時(shí)高度可壓縮的陶瓷氣凝膠。氣凝膠有望在涉及復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)和極端溫度的條件下作為高效絕熱體的應(yīng)用提供優(yōu)勢(shì)。氣凝膠的低密度使其成為超輕陶瓷氣凝膠之一。它在拉伸到超過(guò)20%的應(yīng)變后顯示出完全的可恢復(fù)性?？赡鎵嚎s性可達(dá)到高達(dá)80%的應(yīng)變。此外，氣凝膠在空氣中顯示出28.4 mW m–1 K–1的低熱導(dǎo)率，并且在-196至1200°C的溫度范圍內(nèi)具有良好的熱穩(wěn)定性。這些迷人特性的結(jié)合使其成為適用于復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和極端溫度條件的良好隔熱材料。
