提到海綿你會(huì)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？
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(huì)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(méi)錯(cuò)，這種陶瓷海綿材料不僅具有陶瓷耐高溫的特點(diǎn)，同時(shí)具有海綿的高彈性。
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(diǎn)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。
亮點(diǎn)
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(yán)重限制了實(shí)際應(yīng)用。因此，迫切需要簡(jiǎn)便方法來(lái)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(diǎn)呢？
近日，北京大學(xué)韋小丁研究員團(tuán)隊(duì)、清華伍暉副教授團(tuán)隊(duì)采用了一種簡(jiǎn)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(xì)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(dòng)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(shí)且耗能的冷凍干燥過(guò)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(yán)格。
SAC海綿具有各向異性層狀結(jié)構(gòu)，在高達(dá)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(gè)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(qiáng)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。
SAC海綿的制備
如圖1所示，各向異性層狀SAC海綿的制造過(guò)程包括三個(gè)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(jìn)凝膠化過(guò)程同時(shí)用作吹塑紡絲過(guò)程中形成微纖維的模板。添加AlCl3能促進(jìn)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(jī)成分而獲得。
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(jī)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。
SAC海綿的柔韌性和可壓縮性。
研究人員用370克金屬塊對(duì)SiO2海綿和SAC海綿的柔韌性和機(jī)械可壓縮性進(jìn)行了研究，如圖3所示，這兩個(gè)海綿由于具有高柔韌性和孔隙率，被壓縮超過(guò)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(méi)有明顯變化，說(shuō)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。
SAC海綿的抗壓縮疲勞性
研究人員進(jìn)行了多循環(huán)壓縮測(cè)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(gè)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(méi)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(zhǎng)期保存后，SAC海綿的機(jī)械性能沒(méi)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(guò)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。
SAC海綿的耐高低溫性
測(cè)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(dāng)。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(dāng)SAC海綿在1000°C下處理24小時(shí)后壓縮時(shí)，經(jīng)過(guò)處理的壓縮SAC海綿恢復(fù)原始形狀，沒(méi)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(shí)后壓縮，釋放應(yīng)力后，SAC海綿仍恢復(fù)了原始形狀，沒(méi)有出現(xiàn)明顯斷裂。
SAC海綿的吸聲性能
多孔材料的吸聲性能可以通過(guò)降噪系數(shù)（NRC）進(jìn)行評(píng)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?yàn)镾AC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(xì)纖維表面粗糙，會(huì)增加聲波與材料間的摩擦，導(dǎo)致更多的聲能消耗，同時(shí)纖維的振動(dòng)也能吸聲。
結(jié)論
在本篇文章中，研究人員采用簡(jiǎn)單易行的溶膠-凝膠溶液吹紡技術(shù)開(kāi)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(shí)現(xiàn)高達(dá)80％應(yīng)變的出色機(jī)械壓縮性，在50％應(yīng)變下具有600個(gè)循環(huán)的高壓縮抵疲勞抗性和強(qiáng)大的機(jī)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。
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