​东华大学成艳华团队合成高柔韧性和高绝热性的纤维复合气凝胶材料

绝热材料在国防军工、航空航天、日常民用、工业生产等诸多领域具有广泛的应用需求。其中二氧化硅气凝胶因具有极低的热导率(λ<20 Mw•m-1•K-1,低于空气),被认为是一种“超级绝热材料”。但该材料存在强度差、受力易破碎等问题,极大限制了材料的实际应用,如何获得兼具高柔性和高绝热性能的气凝胶材料具有重要的战略意义。

近日,东华大学纤维改性材料国家重点实验室、材料科学与工程学院的成艳华及朱美芳教授研究团队围绕国家新型材料发展,以轻质、柔性、高绝热性材料为研究目标,将软且韧的有机纳米纤维引入硬且脆的无机硅网络中,通过跨尺度(分子-纳米-微米)结构设计,获得宏观具有高柔韧性和高绝热性的纤维复合气凝胶材料多尺度“软-硬”协同杂化策略如下(图1):分子尺度上,采用低交联密度的硅源增加硅网络的韧性;纳米尺度上,利用纤维素纳米纤维和硅网络界面间的强结合能力确保材料的机械完整性;微米尺度上,通过纤维桥联复合网络结构实现材料的高孔性和柔韧性。采用该策略设计的纤维复合气凝胶在国防军工、航空航天、能源管理、民用保暖等领域都具有较为广阔的应用前景。

​东华大学成艳华团队合成高柔韧性和高绝热性的纤维复合气凝胶材料

图1.硅-纤维素复合气凝胶制备的示意图及其形貌图

​东华大学成艳华团队合成高柔韧性和高绝热性的纤维复合气凝胶材料

图2.纤维复合气凝胶的拉伸稳定性及高柔性

该纳米纤维-硅复合气凝胶具有极低的热导率15.3 mW•m-1•K-1,孔隙率高达93.6%,比表面积高达660 m2•g-1,可支撑起高于其本身质量4个数量级的重物,并可进行弯折、卷曲、折叠等,且能够裁剪成任意形状(图2)。基于柔性复合气凝胶优异的绝热性能(图3),作者进一步制备了具有电热-绝热一体化双模式的高效热器件,增加能量的利用效率。基于复合气凝胶优异的疏水性和高度多孔性,这一复合气凝胶还可以应用于环境污染物处理等领域。

​东华大学成艳华团队合成高柔韧性和高绝热性的纤维复合气凝胶材料

图3.纤维复合气凝胶的绝热性能

这一成果近期发表在Advanced Functional Materials上,文章的第一作者是东华大学的博士研究生张君妍。

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