能屈能伸的陶瓷!像海绵一样Q弹还能隔热吸音的SAC海绵

提到海绵你会想到什么?是那只黄色憨憨的海绵宝宝?还是女生化妆必备海绵蛋?

《自然·通讯》:能屈能伸的陶瓷!像海绵一样Q弹还能隔热吸音

不不不,今天我们要介绍的是——陶瓷海绵材料

提到陶瓷,我们都会想到它又硬又脆的质地,这跟Q弹的海绵还能扯上关系?

没错,这种陶瓷海绵材料不仅具有陶瓷耐高温的特点,同时具有海绵的高弹性。

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陶瓷海绵材料因其重量轻、比表面积大、导热系数低、稳定性好等优点而备受关注。由于这些特性,海绵陶瓷材料被广泛应用于包括保温、水处理、催化剂载体、能量吸收等各种领域。

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亮点

传统的陶瓷海绵材料通常由陶瓷氧化物制成,陶瓷材料固有的脆性以及制备工艺复杂严重限制了实际应用。因此,迫切需要简便方法来具制备有良好柔韧性、高压缩性、耐高低温的陶瓷海绵材料。

那么与传统的陶瓷海绵材料相比,本文所介绍的陶瓷海绵材料有什么优点呢?

近日,北京大学韦小丁研究员团队、清华伍晖副教授团队采用了一种简单易行的方法——溶胶-凝胶溶液吹纺技术成功地制备出具有超细纤维层的各向异性层状SiO2-Al2O3复合陶瓷海绵(SAC海绵)。

这种方法是用气压推动含陶瓷原料的溶液从微孔洞中喷出,然后凝固成纳米纤维。用纺丝装置收集后加热除掉溶剂,最后得到陶瓷海绵。与电纺纤维重建和氢键组装相比,此方法不需要耗时且耗能的冷冻干燥过程,也不像化学气相沉积和原子层沉积法制备条件极其严格。

SAC海绵具有各向异性层状结构,在高达80%的应变下表现出高可压缩性,在50%的应变下具有600个循环的高压缩抗疲劳性。此外,层状结构和陶瓷使SAC海绵具有强大的耐火性,从-196°C到1000°C的温度不变压缩回弹力,以及出色的隔热性能,导热系数低至0.034 W m-1K -1。SAC海绵还具有出色的吸音性能(NRC为0.77)。SAC海绵有望成为目前隔热吸声的脆性材料的替代品。

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SAC海绵的制备

如图1所示,各向异性层状SAC海绵的制造过程包括三个步骤:聚乙烯醇(PVA)-TEOS-AlCl3溶胶-凝胶溶液的制备,溶胶-凝胶溶液的吹塑纺丝和预纺的PVA-SiO2-Al2O3复合物(PSAC)海绵的煅烧。

PVA用作TEOS和AlCl3的增粘剂,以促进凝胶化过程同时用作吹塑纺丝过程中形成微纤维的模板。添加AlCl3能促进TEOS的水解,快速获得透明可纺的溶液,AlCl3也是产生具有各向异性层状结构和大量堆叠的微纤维层海绵的原因。SAC海绵是将初纺的PSAC海绵在空气中煅烧除去残留有机成分而获得。

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图1.SAC海绵的制备过程

 

SAC海绵的形态

如图2所示,SAC海绵块的外观为白色,从SAC海绵的SEM俯视图中看到随机的纤维分布,并且在SAC海绵的横截面中看到层状结构和定向的纤维分布。SAC海绵是轻质的,密度低至10 mg cm-3, 能够切成各种所需的形状。

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图2. SAC海绵的形态

 

SAC海绵的柔韧性和可压缩性。

研究人员用370克金属块对SiO2海绵和SAC海绵的柔韧性和机械可压缩性进行了研究,如图3所示,这两个海绵由于具有高柔韧性和孔隙率,被压缩超过80%的应变。然而,SiO2海绵变形不能完全恢复。令人惊讶的是,压力释放后SAC海绵完全恢复形状,尺寸没有明显变化,说明了其高度可压缩的特性。SAC海绵的各向异性结构是可压缩性的原因。

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图3.机械性能

 

SAC海绵的抗压缩疲劳性

研究人员进行了多循环压缩测试,如图4所示,SAC海绵在最小为100 mm的加载速率下可承受最大应变为50%的600个加载-卸载疲劳循环。此外,经600次循环后,应力-应变曲线没有明显变化,SAC海绵保留了初始最大应力的88.3%,在室温下长期保存后,SAC海绵的机械性能没有明显降低,这归因于SAC海绵的分层结构。原始的SAC海绵有许多空隙,密度低。在压缩下SAC海绵中的微纤维层更致密,且纤维未在压缩过程中断裂,以上结果表明SAC海绵具有出色的抗压缩疲劳性。

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图4.抗压缩疲劳性

 

SAC海绵的耐高低温性

测试表明,密度为13 mg cm-3的SAC海绵在垂直于纤维层方向的导热系数在20°C下为0.034 W m-1K-1,与其他隔热材料相当。SAC海绵的低导热性归因于低密度和层状结构,大量空气保留在微纤维层内和微纤维层之间,且Al2O3可以抑制SiO2的结晶,SiO2和Al2O3的组合赋予SAC海绵优异的耐候性和高低温下的高可压缩性。当SAC海绵在1000°C下处理24小时后压缩时,经过处理的压缩SAC海绵恢复原始形状,没有观察到明显结构变化,同样在液态N2(-196°C)中处理24小时后压缩,释放应力后,SAC海绵仍恢复了原始形状,没有出现明显断裂。

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SAC海绵的吸声性能

多孔材料的吸声性能可以通过降噪系数(NRC)进行评估。如图5所示,与其他吸声材料相比,SAC海绵具有轻便的特性和优异的吸音性能,厚度为29毫米的SAC海绵的NRC值为0.77。这是因为SAC海绵具有层状结构,能使声波在层之间多次吸收,SAC海绵中的超细纤维表面粗糙,会增加声波与材料间的摩擦,导致更多的声能消耗,同时纤维的振动也能吸声。

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图5.吸声性能

 

结论

在本篇文章中,研究人员采用简单易行的溶胶-凝胶溶液吹纺技术开发了一种具有温度不变的高压缩性的各向异性层状SAC海绵,可实现高达80%应变的出色机械压缩性,在50%应变下具有600个循环的高压缩抵疲劳抗性和强大的机械稳定性。此外,层状结构和陶瓷组件还为SAC海绵提供了优异的耐火性和吸声性能,有望用作防火材料、高温绝热材料、声能吸收剂和催化剂载体。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17533-6

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