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，在高溫下會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上的破壞，這些缺點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程中形成的宏觀孔洞使得氣凝膠的阻熱性能下降。同時，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)隊開發(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1000 ℃處理，在SiC納米纖維表面形成一層SiO2，形成的SiO2層可以實現(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)過丁烷噴槍（最高溫度可達(dá)1200?℃)燒過以后，氣凝膠的微觀機(jī)構(gòu)和機(jī)械性能無明顯改變。以上幾點證明了該氣凝膠優(yōu)異的性能。
蜂窩狀結(jié)構(gòu)設(shè)計，各向異性熱導(dǎo)率
在氣凝膠的制備過程中，將SiC納米纖維分散在去離子水中，利用銅棒實現(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)、對流傳熱，以及熱輻射。當(dāng)熱在縱向傳導(dǎo)時，由于通孔導(dǎo)致使得對流傳熱得以實現(xiàn)，而壁面也可以實現(xiàn)熱的傳導(dǎo)，這兩點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，傳導(dǎo)過程主要通過固體的熱傳導(dǎo)實現(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），而氣凝膠在壓過以后仍然可以回復(fù)而不會破損。其主要原因是由于SiO2外殼實現(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)過程中，氣凝膠的高度幾乎不變。在壓縮過程中，蜂窩壁與壁之間的夾角縮?。◤?26°變?yōu)?00°），而在松開后可以復(fù)原。壓縮模量雖然在前20次循環(huán)過程中有所下降，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
在制備氣凝膠的過程中，通過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，通過掃描電鏡觀察，微觀的纖維結(jié)構(gòu)幾乎沒有變化。在灼燒的過程中，還可以實現(xiàn)氣凝膠的壓縮和回復(fù)。
總結(jié)全文
作者通過在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。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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