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西安交大顶刊:超隔热气凝胶!1200℃含氧环境也能稳定

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导读:隔热材料在节能、热保护等领域具有重要意义。本文利用可控定向冷冻铸造方法制备了的气凝胶呈现各种突出的性能。包括:径向热超绝热性能、可恢复径向压缩、高轴向刚度、良好的热、化学稳定性(甚至在含氧环境中1200℃时也能稳定)。这些综合的特性保证了该气凝胶作为一种有前景的隔热材料在极端环境下的安全应用。

具有优异机械强度、高效率、出色的热稳定性和化学稳定性的隔热材料对于节能和热保护的安全应用建筑、工业和航空航天领域具有重要意义。与传统的绝热材料相比,陶瓷气凝胶由于其低的热导率(例如二氧化硅气凝胶热导率为12-20 mW/m·K)和良好的化学稳定性(例如耐火性能)呈现出色的性能。但是,由氧化物纳米粒子组成陶瓷的脆性和高温下的结构崩溃会限制常规陶瓷气凝胶的广泛应用。一些新兴可回收的石墨烯气凝胶近年来收到关注,例如自然干燥的石墨烯气凝胶(在空气中热导率为18 mW/m·K),氨基硅烷交联的石墨烯气凝胶(空气中19 mW/m·K)和三维石墨烯支架(真空中12.6 mW/m·K)。但是,由于石墨烯基材料在高于600 °C时容易发生分解行为,因此它们很难在高温和含氧条件下使用。

为了克服这些阻碍,近日,西安交通大学王红洁教授(通讯作者)等研究人员通过定向冷冻法和随后的热处理制备了具有纳米线组装各向异性和分层结构的SiC@SiO2纳米线气凝胶。这种气凝胶表现出超低热导率,约为14 mW/m·K,具有出色的高刚度(24.7 kN·m/kg)和优异的热稳定性,即使丁烷喷灯加热1200℃条件下也能保持稳定,这也使得它成为一个理想的可在极端条件下使用的热绝缘材料!相关研究工作以“Anisotropic and hierarchical SiC@SiO2 nanowire aerogel with exceptional stiffness and stability for thermal superinsulation”为题发表在国际顶级期刊《Science advances》上。

论文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/26/eaay6689

图1. AH-SSCSNWA气凝胶的制备流程、气凝胶力学性能和耐火性测试

图2. AH-SSCSNWA气凝胶的相关结构表征

图3AH-SSCSNWA气凝胶的绝热性能测试

该气凝胶在径向和轴向方向上测得的热导率分别约为14 mW/m·K和35 mW/m·K,各向异性系数约为2.5。AH-SSCSNWA气凝胶的径向热导率低于具有无规分布微结构SiC纳米线气凝胶(其热导率为26 mW/m·K),这也证明各向异性和分层结构设计的优越性。众所周知,传导,对流和辐射是导热的三种方式,在微观尺度上,对齐的孔充当气体对流的通道,而对齐的管壁充当轴向上的固体传导的通道,这将增加轴向上的传热并因此降低径向上的导热率。使用纳米线构造块会带来大量的声子势垒,导致界面热阻增加,从而降低了固体传导。

图4 AH-SSCSNWA气凝胶的轴向机械性能测试

图5 AH-SSCSNWA气凝胶的径向机械性能测试

AH-SSCSNWA气凝胶在径向上显示出优异的机械柔韧性,该气凝胶在轴向方向上表现出刚性变形行为,呈现较高的硬度和压缩模量(24.7 KN·m/kg)。

图6 AH-SSCSNWA气凝胶的耐火性和耐高温性能测试

热稳定性和化学稳定性是评估绝热材料应用安全性的另一个关键标准,通过在空气炉中1000 ℃等温处理证明了该AH-SSCSNWA气凝胶良好的热稳定性。

综上所述,作者利用可控定向冷冻铸造方法,结合随后的热处理工艺,制备了各向异性分层的SiC@SiO2纳米线气凝胶,纳米线组装成排列的管状孔。气凝胶呈现各种突出的性能,包括径向热超绝热性能(14 mW / m·K),可恢复径向压缩,高轴向刚度(24.7 kN·m/kg),和良好的热、化学稳定性(甚至在含氧环境中1200 oC时也能稳定)。这些综合的特性保证了该气凝胶作为一种有前景的隔热材料在极端环境下的安全应用,特别是在高温和含氧条件下,在这些条件下,传统的聚合物绝缘材料很容易着火,陶瓷纳米颗粒基气凝胶通常会发生崩塌。这种陶瓷气凝胶的设计和制备也为其他高性能纳米结构材料的研究提供了借鉴。(文:嘉一)

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