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、高孔隙率和大比表面積等優(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材料，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的超彈性。

    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)超彈性將是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。最近，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)通過將柔韌的SiO2納米纖維與鋁硼硅酸鹽（AlBSi）基體結(jié)合，制備了超彈性層狀結(jié)構(gòu)陶瓷納米纖維氣凝膠（CNFAs），使得陶瓷氣凝膠具備了“超彈”特性。研究成果發(fā)表在Science Advances上，原文題目為“Ultralight and Fire-resistant Ceramic Nanofibrous Aerogels with Temperature-invariant Superelasticity”。

    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，這類新型材料可為輕質(zhì)、彈性和結(jié)構(gòu)適應(yīng)性陶瓷的發(fā)展提供新方向。

    CNFAs的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和蜂窩體系結(jié)構(gòu)

    圖中（A）為CNFAs制備流程的示意圖；（B）為CNFAs的XPS譜；（C）為由丁烷噴燈加熱的CNFAs沒有任何損壞；（D）為不同形狀的CNFAs；（E）為立于羽毛尖端CNFAs；（F-H） 中CNFAs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）為分別具有對(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） 為相關(guān)結(jié)構(gòu)的3個(gè)層次。

    CNFAs的多循環(huán)壓縮性質(zhì)

    圖中（A）為加載-卸載循環(huán)過程中壓縮應(yīng)變-應(yīng)力曲線；（B）為壓縮應(yīng)變?yōu)?0％的500次循環(huán)疲勞試驗(yàn)結(jié)果；（C）為楊氏模量、能量損失系數(shù)和最大應(yīng)力與壓縮循環(huán)；（D）為CNFAs的泊松比；（E）為壓縮下納米纖維細(xì)胞壁的反轉(zhuǎn)示意圖；（F-G）為單個(gè)細(xì)胞和單一納米纖維曲率半徑的SEM圖像；（H）為彎曲SiO2納米纖維微結(jié)構(gòu)的示意圖；（I）為一組實(shí)時(shí)圖像，顯示CNFAs可以高速反彈鋼球；（J）為CNFAs的儲(chǔ)能模量、損耗模量和阻尼比的頻率依賴性；（K）為低密度選定細(xì)胞氣凝膠的相對(duì)楊氏模量。

    CNFAs在很寬的溫度范圍內(nèi)的力學(xué)性能

    圖中（A-C）為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）為CNFAs在各種溫度下處理30min后的壓縮和恢復(fù)工作；（E）為在1000、1200和1400°C處理30min后CNFAs的XRD圖譜；（F）為在1200和1400°C處理30min后CNFAs的SEM圖像；（G-H）為在酒精燈和丁烷噴燈火焰中CNFAs的壓縮和恢復(fù)過程。

    CNFAs的隔熱性能

    圖中（A）為CNFAs的導(dǎo)熱率與密度的函數(shù)關(guān)系；（B）為氣凝膠材料的導(dǎo)熱率與最大工作溫度的關(guān)系；（C）為用于絕熱應(yīng)用的大規(guī)模CNFAs；（D） CNFAs的保溫能力與FeSiO2和Al2O3材料做比較；（E）為CNFAs在350℃加熱階段30min的光學(xué)和紅外圖像；（F）為CNFAs在丁烷噴燈下暴露120s后的光學(xué)和紅外圖像

    該研究通過將分層的細(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)熱和耐火等特性，預(yù)計(jì)這種卓越的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)，類似于SiO2納米纖維的其他各種陶瓷納米纖維都可能參與CNFAs的制備，為開發(fā)新型基于陶瓷的功能性氣凝膠提供了機(jī)遇。

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