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研究背景

開發在壓縮、拉伸和彎曲變形下同時具有強韌性和柔韌性的絕熱材料，對深海和航天飛行器的保溫和熱防護具有重要意義。陶瓷氣凝膠具有密度低、導熱系數低、熱穩定性好等優點，是一種極具吸引力的保溫材料。然而，傳統的由氧化物納米顆粒組成的陶瓷氣凝膠通常表現出較低的強度和脆性，這是由于陶瓷的弱晶間頸結和脆性。為了增強和增韌陶瓷氣凝膠，人們制造了聚合物交聯陶瓷氣凝膠和纖維增強陶瓷氣凝膠，以提高其強度和可變形性，然而，這些材料存在熱不穩定性或嚴重的粉塵釋放問題，阻礙了它們的實際應用。

成果簡介

陶瓷氣凝膠是一種高效、輕質、化學性質穩定的保溫材料，但其脆性和低強度的特點阻礙了其應用。柔性納米結構組裝可壓縮氣凝膠克服了材料的脆性，但其強度仍然較低，導致其承載能力不足。近日，西安交通大學王紅潔教授、賈書海教授等人設計并制造了一種層狀SiC-SiO_x納米線氣凝膠，它具有可逆的壓縮性、可恢復的屈曲變形、延展性的拉伸變形，同時強度比其他陶瓷氣凝膠高出一個數量級。氣凝膠在液氮中- 196℃至丁烷噴槍中1200℃以上的溫度范圍內均表現出良好的熱穩定性，熱導率為39.3±0.4 mW m^?1 K^?1，具有良好的保溫性能。

這些綜合性能使氣凝膠成為機械堅固和高效的柔性保溫材料的有希望的候選者。這項工作以“Strong yet flexible ceramic aerogel”為題發表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。祝賀！

圖文導讀

圖1.?SiC-SiO_x納米線氣凝膠的制備工藝、形成機理及宏觀形貌

圖2.?SiC-SiOx納米線氣凝膠的微觀結構

在這里，作者報道了一種層壓SiC-SiOx納米線氣凝膠，它在壓縮、拉伸和彎曲變形下表現出機械穩健性和柔韌性，具有良好的隔熱性能，并且在很寬的溫度范圍內具有熱穩定性。層合氣凝膠表現出可逆的壓縮性、韌性的拉伸變形、可恢復的彎曲性和可恢復的屈曲變形。其抗壓模量為222±32.7 kPa, 80%應變時的抗壓應力為1255±116.3 kPa，抗拉應力為399±83.4 kPa，模量為4855±111.0 kPa，抗折強度為261±11.4 kPa，比其他彈性陶瓷氣凝膠提高了幾倍至幾十倍，在不同變形下的承載能力都有所提高。在1200°C的丁烷噴燈和- 196°C的液氮溫度下，靈活性也保持不變。層合氣凝膠的導熱系數為39.3±0.4 mW m^?1 K^?1，與蠶繭相當，具有良好的保溫性能。這種很少報道的綜合性能使氣凝膠成為高效和機械堅固的隔熱材料的有前途的候選者之一。

作者使用自制的密度約為5.7 mg cm^?3的具有高度可壓縮性和可拉伸性的SiC-SiOx納米線氣凝膠紙作為原料制備層壓SiC-SiOx納米線氣凝膠，且采用化學氣相沉積法制備原料SiC-SiOx納米線氣凝膠紙。為了實現層狀微觀結構的構建，作者提出了一種簡便的毛細管力誘導自組裝方法。圖1a示出了層壓陶瓷氣凝膠的制備過程。首先，將原始氣凝膠紙切成小塊，然后逐層堆疊，形成大塊氣凝膠。將大塊氣凝膠浸泡在乙醇中。充分滲透后，將氣凝膠取出，然后自然干燥。在干燥過程中，乙醇蒸發過程中，納米線在毛細力的作用下發生自組裝，形成層狀SiC-SiOx納米線氣凝膠。圖1b為制備好的層狀氣凝膠站在葉片表面的宏觀形貌，從中可以明顯觀察到氣凝膠的層狀結構。

圖3.?層合SiC納米線氣凝膠的力學性能

圖4.?層壓氣凝膠在壓縮和拉伸作用下的變形機理

圖5. 層壓氣凝膠的熱穩定性和絕熱性

為了了解變形機理，作者在掃描電鏡下進行了現場壓縮和拉伸試驗。如圖4a所示，隨著壓縮應變的增大，SiC納米線層被壓縮得越來越薄，波紋層變得越來越直。在此過程中，納米線層表現出輕微的彎曲變形行為，但卻表現出大位移協同運動(圖4b)，這與隨機結構的氣凝膠中納米線的大屈曲和彎曲變形明顯不同。這種差異歸因于層壓結構中單個納米線周圍和相鄰層之間更嚴格的約束，這可能增加納米線的變形抗力，從而提高氣凝膠的模量和強度。盡管層壓氣凝膠的抗變形能力增加，但其高孔隙率(~98%)仍然可以為納米線提供足夠的移動空間。因此，壓縮應變仍然可以很大。在卸載過程中，得益于納米線的柔韌性，納米線層幾乎可以恢復到初始狀態(圖4a)。

然后作者評估了層壓氣凝膠的熱穩定性。如圖5a所示，氣凝膠在液氮中- 196℃時仍能保持其可逆彎曲性。在丁烷噴燈的火焰下(溫度高達1200°C)，可逆的可彎曲性也保持不變(圖5b)。這些結果表明，在較寬的溫度范圍內，SiC-SiOx納米線氣凝膠具有良好的機械柔韌性和熱穩定性，這可歸因于層壓SiC-SiOx納米線氣凝膠的陶瓷性質。

本文采用丁烷噴燈作為高溫熱源，對其保溫性能進行了評價。利用熱成像儀記錄了厚度為10mm的層壓氣凝膠背面的溫度分布。雖然丁烷噴燈的最高溫度可高達1200℃以上，但其背面的穩定溫度僅為~135℃(圖5c)，說明層壓氣凝膠是一種極具吸引力的隔熱材料。

總結展望

綜上所述，作者展示了SiC-SiOx納米線氣凝膠的層壓微觀結構設計策略，以解決陶瓷氣凝膠的機械堅固性，可變形性和隔熱性之間的沖突。這種合理的結構設計既提高了納米線的變形和運動阻力，又保持了納米線的柔韌性。它還產生了一種各向異性導熱行為，以減少沿垂直于層壓層方向的熱通量傳輸。這些綜合的機械和熱性能使氣凝膠成為一種堅固而靈活的隔熱材料，適用于會發生壓縮、拉伸、彎曲和屈曲變形的條件，例如用于航空航天飛行器的動態熱密封材料以及用于月球探測器和深海潛水器的隔熱材料。

文獻信息

Strong yet flexible ceramic aerogel. (Nat. Commun. 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-42703-7)

https://www.nature.com/articles/s41467-023-42703-7

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