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【引言】

超低密度陶瓷氣凝膠由于其低密度和熱導(dǎo)率，化學(xué)和熱力學(xué)惰性，高孔隙率和大表面積等優(yōu)異特性而極具吸引力，并且已經(jīng)廣泛用于催化，電，環(huán)境和能量等領(lǐng)域。然而與目前大多數(shù)多孔陶瓷材料一樣，這些陶瓷氣凝膠多為剛性和脆性，在斷裂之前只有輕微的彈性變形，除非它們與聚合物混合或在先前存在的碳網(wǎng)絡(luò)上生長。在僅由陶瓷組分構(gòu)成的氣凝膠中還從未觀察到由聚合物或碳制成的氣凝膠中獲得過超彈性。由于已知陶瓷的特定彈性彎曲應(yīng)變低于聚合物或碳的彈性彎曲應(yīng)變，因而在多孔陶瓷網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)超彈性將會一次重大挑戰(zhàn)。最近，有學(xué)者通過柔韌的SiO₂納米纖維與鋁硼硅酸鹽（AlBSi）基體結(jié)合來制備超彈性層狀結(jié)構(gòu)陶瓷納米纖維氣凝膠，使得陶瓷氣凝膠具備了超彈性。

【成果簡介】

近日，東華大學(xué)俞建勇院士及丁彬教授（通訊作者）帶領(lǐng)的納米纖維研究團(tuán)隊(duì)在Science Advances上發(fā)布了一篇關(guān)于陶瓷氣凝膠的文章，題為“Ultralight and fire-resistant ceramic nanofibrous aerogels with temperature-invariant superelasticity”。
作者通過將SiO₂納米纖維與鋁硼硅酸鹽基質(zhì)結(jié)合來制備超彈性層狀結(jié)構(gòu)陶瓷納米纖維氣凝膠（CNFAs）。這種方法成功地將隨機(jī)沉積的SiO₂納米纖維大規(guī)模組裝成具有可調(diào)節(jié)密度和預(yù)期形狀的彈性陶瓷氣凝膠。CNFAs密度低，可從80%的應(yīng)變迅速恢復(fù)，在1100℃的高溫下泊松比為零，具有不隨溫度而變的超彈性。此外，整體陶瓷特性還為CNFAs提供了強(qiáng)大的耐火性和隔熱性能，類新型材料可為輕質(zhì)，彈性和結(jié)構(gòu)適應(yīng)性陶瓷的發(fā)展提供新方向。

【圖片導(dǎo)讀】

圖1 CNFAs的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和蜂窩體系結(jié)構(gòu)

(a) CNFAs制備流程的示意圖；

(b) CNFAs元素的XPS譜；

(c) 由丁烷噴燈加熱的CNFA沒有任何損壞；

(d) 不同形狀的CNFA的光學(xué)圖像；

(e) 立于羽毛尖端CNFA的光學(xué)圖像；

(f-h) NFAs在不同放大倍數(shù)下的顯微結(jié)構(gòu)展示了分級納米纖維細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)；

(i) 分別具有對應(yīng)Si，O，Al和B的元素映射圖像的單納米纖維的STEM-EDS圖像；

(j) 相關(guān)結(jié)構(gòu)的三個(gè)層次。

圖2 CNFAs的多循環(huán)壓縮性質(zhì)

(b) 壓縮ε為60％的500次循環(huán)疲勞試驗(yàn)；

(c) 楊氏模量，能量損失系數(shù)和最大應(yīng)力與壓縮循環(huán)；

(d) CNFAs與ε的泊松比；

(e) 壓縮下納米纖維細(xì)胞壁的反轉(zhuǎn)示意圖；

(f-g) 單個(gè)細(xì)胞和單一納米纖維曲率半徑的SEM圖像；

(h) 彎曲二氧化硅納米纖維微結(jié)構(gòu)的示意圖；

(i) 一組實(shí)時(shí)圖像，顯示CNFAs可以高速反彈鋼球；

(j) NFAs的儲能模量，損耗模量和阻尼比的頻率依賴性；

(k) 低密度選定細(xì)胞氣凝膠的相對楊氏模量。

圖3 CNFAs在很寬的溫度范圍內(nèi)的力學(xué)性能

(a-c) CNFAs的儲能模量，損耗模量和阻尼比與角頻率的關(guān)系圖；

(d) CNFAs在各種溫度下處理30分鐘后的壓縮和恢復(fù)工作；

(e) 在1000°C，1200°C和1400°C處理30分鐘后CNFA的XRD圖譜；

(f) 在1200°C和1400°C處理30分鐘后CNFA的SEM圖像；

(g-h) 在酒精燈和丁烷噴燈火焰中CNFAs的壓縮和恢復(fù)過程。

圖4 CNFAs的隔熱性能

(b) 氣凝膠樣材料的導(dǎo)熱率與最大工作溫度的關(guān)系；

(c) 用于絕熱應(yīng)用的大規(guī)模CNFA的光學(xué)圖像；

(d) CNFAs的保溫能力與FeSiO2和Al2O3材料做比較；

(e) CNFAs在350℃加熱階段30分鐘的光學(xué)和紅外圖像；

(f) CNFA在丁烷噴燈下暴露120秒后的光學(xué)和紅外圖像。

【小結(jié)】

本文通過將分層的細(xì)胞纖維結(jié)構(gòu)和AlBSi結(jié)合的SiO₂納米纖維的組合，使超輕陶瓷基氣凝膠可以具備超彈性。憑借其超低密度，彈性可壓縮性，零泊松比，溫度不變超彈性，低導(dǎo)熱性和耐火性，預(yù)計(jì)這些卓越的CNFAs材料將在絕熱，催化劑載體，吸附劑，柔性電氣設(shè)備和電磁，能量，聲學(xué)或振動阻尼等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。此外，作者還提出了CNFAs制備和彈性機(jī)制的基本原則。因此，可以預(yù)計(jì)，類似于SiO₂納米纖維的其他各種其他陶瓷納米纖維都可能參與CNFA的制備，為開發(fā)新型基于陶瓷的功能性氣凝膠提供了機(jī)遇。