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。

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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。

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圖一:SiC@SiO2氣凝膠的制造過程以及機(jī)械性能和耐火性概述。(A)SiC@SiO2氣凝膠的制造過程。(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)垂直燃燒測試顯示良好SiC@SiO2氣凝膠的耐火性。

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%。

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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)。

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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)的相對楊氏模量繪制在其相對密度上。(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。

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。

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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個壓縮周期內(nèi)的相對高度演變。(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)。

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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)通過使用紅外熱像儀檢測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。

全文鏈接:

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

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