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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(zhǎng)。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(guò)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(huì)一次重大挑戰(zhàn)。最近，有學(xué)者通過(guò)柔韌的SiO₂納米纖維與鋁硼硅酸鹽（AlBSi）基體結(jié)合來(lái)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(jiǎn)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(guò)將SiO₂納米纖維與鋁硼硅酸鹽基質(zhì)結(jié)合來(lái)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(lèi)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(méi)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(jí)納米纖維細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)；

(i) 分別具有對(duì)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(chǔ)能模量，損耗模量和阻尼比的頻率依賴(lài)性；

(k) 低密度選定細(xì)胞氣凝膠的相對(duì)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(chǔ)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(guò)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(guò)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(dòng)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(lèi)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(kāi)發(fā)新型基于陶瓷的功能性氣凝膠提供了機(jī)遇。