同濟(jì)大學(xué)《AFM》：高強(qiáng)度耐高溫金屬氧化物氣凝膠獲重要進(jìn)展！
2024-10-23 13:35:56
作者：材料科學(xué)與工程 來(lái)源：材料科學(xué)與工程
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近日，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院王曉棟副教授和沈軍教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所（EMPA）趙善宇研究員，通過(guò)聚合物微模板法，調(diào)控了金屬氧化物氣凝膠的納米基元結(jié)構(gòu)，大大提升了其力學(xué)性能和耐高溫性能，有望使氣凝膠在航天飛行器和動(dòng)力電池領(lǐng)域的應(yīng)用再上一個(gè)臺(tái)階。相關(guān)研究成果以“Strong and Ultrahigh Temperature-Resistant Metal Oxide Nanobelt Aerogels”為題在線發(fā)表于國(guó)際知名期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202414592
開(kāi)發(fā)在高溫環(huán)境下能保持結(jié)構(gòu)完整性和優(yōu)異隔熱性能的熱絕緣材料，對(duì)航天飛行器和動(dòng)力電池等的隔熱保溫和熱防護(hù)具有重要意義。金屬氧化物氣凝膠具有高比表面積、低密度、優(yōu)異的熱學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性和功能多樣性，是一種理想的高溫隔熱和催化劑載體材料。然而，受納米顆粒組裝的多孔結(jié)構(gòu)的影響，傳統(tǒng)的金屬氧化物氣凝膠一般呈現(xiàn)脆性，可壓縮性差，高溫下易發(fā)生燒結(jié)相變而導(dǎo)致熱收縮。這些缺點(diǎn)使得金屬氧化物氣凝膠極易在外力作用下碎裂，并在高溫下燒結(jié)或粉化，極大地限制了其在高溫條件下的實(shí)際應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)調(diào)控金屬氧化物氣凝膠的納米基元結(jié)構(gòu)，克服其骨架結(jié)構(gòu)脆性的同時(shí)提升其耐高溫性能，是金屬氧化物氣凝膠在高溫下服役的關(guān)鍵。
受聚合物氣凝膠優(yōu)異力學(xué)性能的啟發(fā)，本工作采用聚合物微模板化策略，通過(guò)聚酰氨酸鹽和金屬鹽前驅(qū)體的共凝膠反應(yīng)，將納米顆粒組裝的項(xiàng)鏈狀基元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)聚合物狀的納米帶結(jié)構(gòu)，經(jīng)超臨界干燥和煅燒去模板，獲得了Al2O3、Cr2O3和Fe2O3等金屬氧化物納米帶（MNB）氣凝膠。聚酰胺酸鹽分子鏈和溶劑化金屬離子之間的氫鍵相互作用，使得金屬氧化物的初級(jí)膠體粒子纏繞聚酰胺酸分子鏈生長(zhǎng)，最終以一維納米帶形式排列。經(jīng)乙醇超臨界干燥和600°C煅燒去模板后，納米帶結(jié)構(gòu)仍然完好無(wú)損。這一穩(wěn)定的微結(jié)構(gòu)也說(shuō)明MNB氣凝膠具備高溫服役的潛質(zhì)。
這種一維納米帶基元結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，避免了納米顆粒組裝的基元結(jié)構(gòu)中的顆粒間節(jié)點(diǎn)的形成，減少了應(yīng)力集中點(diǎn)的同時(shí)抑制了高溫下的傳質(zhì)和相變，MNB氣凝膠因此表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和耐高溫性能。Al-MNB氣凝膠能夠承受高達(dá)80%的壓縮而不碎裂，而傳統(tǒng)納米顆粒組裝的氧化鋁氣凝膠僅能承受4%的壓縮。此外，Al-MNB氣凝膠在高溫實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐火性和高溫隔熱性能，1300°C熱處理2小時(shí)后仍能保持228m2/g的高比表面積，丁烷噴槍火焰灼燒300s后平均背溫僅為68.6°C。
該研究工作首次通過(guò)聚合物微模板方法，合成了以納米帶為基元結(jié)構(gòu)的金屬氧化物氣凝膠，為設(shè)計(jì)高性能、輕質(zhì)、高強(qiáng)度的高溫隔熱材料開(kāi)辟了新的思路。這種納米帶結(jié)構(gòu)賦予了金屬氧化物氣凝膠優(yōu)異的力學(xué)性能和超高溫隔熱性能，在航天飛行器熱管理和動(dòng)力電池?zé)崾Э胤雷o(hù)等極端環(huán)境中的應(yīng)用潛力巨大。同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院王曉棟副教授、沈軍教授和瑞士EMPA趙善宇研究員為論文共同通訊作者，王逸君博士生、張澤博士為論文共同第一作者。
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