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欧宝平台登录:东华大学超弹性陶瓷纳米气凝胶的研究取得进展
更新日期:2022-06-17 20:30:08 来源:欧宝足球直播 作者:欧宝直播足球直播

  超低密度陶瓷气凝胶由于其低密度和热导率、化学和热力学惰性、高孔隙率和大比表面积等优异特性而极具吸引力,并且已经广泛用于催化、电、环境等领域。然而与目前大多数多孔陶瓷材料一样,这些陶瓷气凝胶多为刚性和脆性材料,在断裂之前只有轻微的弹性变形,除非它们与聚合物混合或在先前存在的碳网络上生长。在仅由陶瓷组分构成的气凝胶中还从未观察到由聚合物或碳制成的气凝胶中获得过的超弹性。

  由于已知陶瓷的特定弹性弯曲应变低于聚合物或碳的弹性弯曲应变,因而在多孔陶瓷网络中实现超弹性将是一项重大挑战。最近,东华大学俞建勇院士及丁彬教授(通讯作者)带领的纳米纤维研究团队通过将柔韧的SiO2纳米纤维与铝硼硅酸盐(AlBSi)基体结合,制备了超弹性层状结构陶瓷纳米纤维气凝胶(CNFAs),使得陶瓷气凝胶具备了“超弹”特性。研究成果发表在Science Advances上,原文题目为“Ultralight and Fire-resistant Ceramic Nanofibrous Aerogels with Temperature-invariant Superelasticity”。

  这种方法成功地将随机沉积的SiO2纳米纤维大规模组装成具有可调节密度和预期形状的弹性陶瓷气凝胶。CNFAs密度低,可从80%的应变迅速恢复,在1100℃的高温下泊松比为零,具有不随温度而变的超弹性。此外,整体陶瓷特性还为CNFAs提供了强大的耐火性和隔热性能,这类新型材料可为轻质、弹性和结构适应性陶瓷的发展提供新方向。

  图中(A)为CNFAs制备流程的示意图;(B)为CNFAs的XPS谱;(C)为由丁烷喷灯加热的CNFAs没有任何损坏;(D)为不同形状的CNFAs;(E)为立于羽毛尖端CNFAs;(F-H) 中CNFAs在不同放大倍数下的显微结构展示了分级纳米纤维细胞状结构;(I)为分别具有对应Si、O、Al和B的元素映射图像的单纳米纤维的STEM-EDS图像;(J) 为相关结构的3个层次。

  图中(A)为加载-卸载循环过程中压缩应变-应力曲线次循环疲劳试验结果;(C)为杨氏模量、能量损失系数和最大应力与压缩循环;(D)为CNFAs的泊松比;(E)为压缩下纳米纤维细胞壁的反转示意图;(F-G)为单个细胞和单一纳米纤维曲率半径的SEM图像;(H)为弯曲SiO2纳米纤维微结构的示意图;(I)为一组实时图像,显示CNFAs可以高速反弹钢球;(J)为CNFAs的储能模量、损耗模量和阻尼比的频率依赖性;(K)为低密度选定细胞气凝胶的相对杨氏模量。

  图中(A-C)为CNFAs的储能模量、损耗模量和阻尼比与角频率的关系图;(D)为CNFAs在各种温度下处理30min后的压缩和恢复工作;(E)为在1000、1200和1400°C处理30min后CNFAs的XRD图谱;(F)为在1200和1400°C处理30min后CNFAs的SEM图像;(G-H)为在酒精灯和丁烷喷灯火焰中CNFAs的压缩和恢复过程。

  图中(A)为CNFAs的导热率与密度的函数关系;(B)为气凝胶材料的导热率与最大工作温度的关系;(C)为用于绝热应用的大规模CNFAs;(D) CNFAs的保温能力与FeSiO2和Al2O3材料做比较;(E)为CNFAs在350℃加热阶段30min的光学和红外图像;(F)为CNFAs在丁烷喷灯下暴露120s后的光学和红外图像

  该研究通过将分层的细胞纤维结构和AlBSi结合的SiO2纳米纤维的组合,使超轻陶瓷基气凝胶可以具备超弹性。凭借其超低密度、弹性可压缩性、零泊松比、温度不变超弹性、低导热和耐火等特性,预计这种卓越的CNFAs材料将在绝热、催化剂载体、吸附剂、柔性电气设备和电磁、能量、声学或振动阻尼等多个领域发挥重要作用。此外,作者还提出了CNFAs制备和弹性机制的基本原则。因此,可以预计,类似于SiO2纳米纤维的其他各种陶瓷纳米纤维都可能参与CNFAs的制备,为开发新型基于陶瓷的功能性气凝胶提供了机遇。

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