熱超絕緣材料在極端環境中的熱能管理和緊急保護中發揮着至關重要的作用。陶瓷氣凝膠因其密度低、導熱系數低、化學穩定性和熱穩定性優異而特别具有吸引力，進而在隔熱領域展現出巨大的應用潛力。具有小孔徑、高孔隙率和納米顆粒互連架構的特定幾何形态賦予陶瓷氣凝膠通過固體通路和氣體分子進行有限的熱傳導。然而，與聚合物或碳不同，陶瓷具有固有的脆性和剛性。是以，大多數現有的陶瓷多孔材料在沒有聚合物或碳基體作為維持物的情況下，在外部機械載荷下通常會出現機械強度下降、結構坍塌和體積收縮，而這些材料在空氣中超過600°C時可能無法存在。是以，繼續制造出兼具強大的機械性能、耐高溫（1100°C）和良好的隔熱性能的陶瓷氣凝膠材料。
鑒于此，東華大學俞建勇院士、丁彬教授、斯陽研究員提出了一種簡便的政策來制備具有彈性和穩健機械性能以及優異隔熱性能的納米纖維-顆粒二進制協同陶瓷氣凝膠。該方法包括交聯二氧化矽顆粒氣凝膠（SGA）和ZrO2-SiO2納米纖維層以形成層狀多拱形蜂窩3D網絡。二氧化矽顆粒氣凝膠的納米顆粒互連網絡解釋了複合氣凝膠的低導熱性，而多拱形薄片和柔性納米纖維確定了出色的機械性能。所得複合陶瓷氣凝膠具有輕質特性（23 mg cm–3）、可恢複壓縮應變高達80%的超彈性、1000次循環壓縮後塑性變形為1.2%的優異抗疲勞性、低導熱性（0.024 W m–1K–1）和良好的高溫超絕緣性能。此外，由于陶瓷材料的耐高溫性和結構熱穩定性，氣凝膠在超低（-196°C）和超高（1100°C）溫度下保持彈性。這項研究提出的這種用于制造納米纖維-顆粒複合陶瓷氣凝膠的簡單技術在實踐中具有巨大的大規模應用潛力。相關工作以“All-Ceramic and Elastic Aerogels with Nanofibrous-Granular Binary Synergistic Structure for Thermal Superinsulation”為題發表在國際頂級期刊《ACS Nano》上。
ZrO2-SiO2納米纖維-顆粒複合氣凝膠（ZNGAs）的制備和結構特征
作者使用溶膠-凝膠法和靜電紡絲法制備了柔性ZrO2-SiO2納米纖維膜，然後通過超音波輔助冷凍成型工藝制造ZNGA，如圖1所示。納米纖維-顆粒複合陶瓷氣凝膠的SEM微結構橫截面顯示出分層的細胞結構，包括層狀拱狀細胞、具有SGA的納米纖維細胞壁以及纖維和SGA之間的鍵合域。由于良好的相容性，ZNGAs可以定制成任意形狀，如正方形、圓形、五角星和三角形，無需額外或預先處理，輕松滿足工業中不同外觀的要求。ZNGAs自由站立在狗尾草的稀疏針上，提供重量輕、密度低（23 mg cm–3）的複合材料，對應的孔隙率為~99.58%，顯着優于複合氣凝膠的孔隙率。此外，ZNGAs的全陶瓷性質以及納米纖維和SGA之間矽溶膠的強界面互相作用使它們能夠抵抗強烈的丁烷火焰噴射（~1100℃）而沒有任何視覺破壞或體積收縮，表現出有利的複合氣凝膠的耐高溫性。
圖1 ZNGAs的制備及結構表征
機械性能和超彈性機理
柔性蜂窩結構和矽溶膠基質的強鍵合網絡的協同作用可以有效地提高陶瓷氣凝膠的力學性能。ZNGAs能夠承受較大的壓縮應變（80%）而不會斷裂并迅速恢複它們的原始結構。同時，相應的應力（102 kPa）是試樣重量的60 000多倍（圖2)。試樣經受1000次壓縮循環，在第1000次循環時表現出1.2%的塑性變形，表明其具有堅固耐用的回彈性。ZNGA可以承受8500倍于自身重量的負載，持續時間長達24小時而沒有任何視覺坍塌，這意味着ZNGA具有令人印象深刻的結構耐久性。為了進一步探索ZNGAs持久彈性的演化機制，作者還在壓縮恢複過程中觀察了SEM，直至應變達到80%。結果表明，層狀多拱形蜂窩結構結合了脆性SAG和柔性納米纖維架構之間的強界面互相作用，共同促進了穩健的機械性能。
圖2 ZNGAs 的機械性能
熱穩定性、機械穩定性和隔熱性能
為了進一步評估ZNGAs的熱阻和機械穩定性，在-100至 500 ℃的寬溫度範圍内進行了多次動态機械分析測量（圖3）。模量和阻尼比的微小變化表明了ZNGAs的溫度不變機械穩定性。ZNGAs在液氮（~-196℃）中處理12小時和在馬弗爐（1100℃）中處理6小時後分别進行了1000次循環的壓縮試驗。在極端溫度下處理後的ZNGAs保持彈性并很好地保持了可逆變形水準，在-196和1100℃處理後塑性變形分别為10.4%和9.2%。此外，在ZNGAs中添加引入納米孔的SGA可使具有優化組成的ZNGAs的熱導率從0.028 W m–1K–1（未摻雜的ZNGAs）降低到 0.024 W m–1K–1（SGA濃度為0.75wt%）。ZNGAs優異的隔熱性能歸因于納米孔的低導熱性和層狀蜂窩結構（圖4）。
圖3 ZNGAs的熱阻和機械穩定性
圖4 ZNGAs的熱傳輸特性
小結：作者設計并制備了具有層狀多拱蜂窩結構和葉狀纖維-顆粒二進制網絡的陶瓷納米纖維-顆粒複合氣凝膠。所提出的ZNGAs架構展現了其出色的綜合性能，包括輕質特性、超彈性、良好的機械強度和良好的抗疲勞性。在1000次壓縮循環後也獲得了2%的塑性變形和不随溫度變化的機械性能。得益于SGA的熱性能和陶瓷元件的耐火性，複合氣凝膠表現出0.024 W m–1K–1的低導熱率以及耐高溫性。這項研究的政策為納米纖維-顆粒複合陶瓷氣凝膠的制造和工程設計提供了希望。
--纖維素--
--幫測科技--
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c09668
來源：高分子科學前沿