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國防科大&西安交大《CEJ》：新型超輕質耐高溫超隔熱氣凝膠！

2022-12-01 14:19:35 作者：材料基來源：材料基分享至：

新型高速航天飛行器熱防護系統對兼具低密度、高強度、耐高溫和低熱導的高性能氣凝膠隔熱材料提出了迫切需求。然而，傳統顆粒狀氣凝膠通常需要用高密度纖維進行力學增強，并且在1200°C以上易發生燒結，新興的超輕納米纖維氣凝膠常溫熱導率很低，但由于大量微米級通孔的存在，難以有效抑制高溫輻射傳熱。此外，為了避免吸濕導致的隔熱性能衰減，氣凝膠通常需要經過復雜的后處理以獲得疏水性。因此，開發區別于納米顆粒和納米纖維的新型氣凝膠迫在眉睫。

近日，國防科技大學馮堅團隊和西安交通大學唐桂華團隊基于碳層封裝策略，聯合開發出一種新型多功能Al₂O₃-C“核-殼”納米棒氣凝膠。該材料兼具超輕質（0.086 g·cm^-3）、高強度（比抗壓強度為69.83 kN·m·kg^-1）、超低熱導（1200℃下熱導率為0.065 W·m^-1·K^-1）、超高耐溫（氬氣中高達1500℃，脫碳后在空氣中高達1400℃）以及本征超疏水（1000次摩擦循環后疏水角仍為156°）等優異性能，其中熱導率較國內外同類隔熱材料最低值優20%，密度降低75%。相關成果以題“Carbon Layer Encapsulation Strategy for Designing Multifunctional Core-Shell Nanorod Aerogels as High-Temperature Thermal Superinsulators”發表在著名期刊《Chemical Engineering Journal》上。國防科大博士研究生柳鳳琦和西安交大博士研究生賀晨波為共同第一作者，國防科大姜勇剛副研究員與馮堅研究員為共同通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140502

圖1.（a）RANAs, CANAs和DANAs的制備工藝流程圖及微觀結構圖片；（b）Al₂O₃納米棒和RF涂層之間的強界面相互作用；（c）RANAs、（d）CANAs和（e）DANAs的SEM圖像；（f）CANAs的HRTEM圖像；CANAs的（j）HAADF TEM圖像和（h-i）EDS圖譜

圖2.（a-b）低密度CANAs的宏觀照片及（c）承重實驗照片；（d）CANAs的力學有限元模擬結果；（e-f）不同碳含量CANAs的力學性能及與（j）已報道氧化鋁氣凝膠的力學性能對比

圖3.（a）不同碳含量的CANAs經1400°C碳化后的SEM圖像和（b）θ相含量；（c）在氬氣中不同碳化溫度CANAs的XRD圖譜；（d）1400-DANA和PANA在空氣中不同加熱溫度下的XRD圖譜、（e）θ相含量和（f）SSA值

圖4. 1400-DANA在（a）1300°C煅燒1小時和（b）1400°C煅燒15分鐘后的SEM圖像；（c）1400-CANA在1400°C下煅燒15分鐘之后的HRTEM圖像；1400-DANA（d）在丁烷噴燈（~1300℃）下加熱120秒和（e）在液氮（~196℃）中浸泡120秒的照片；（f）DANAs耐高溫機理示意圖

圖5. CANAs的高溫超隔熱性能：（a）不同碳含量CANAs的室溫熱導率和密度；（b）不同碳含量（0%、5%、10%和15%）CANAs的高溫熱導率；（c）CANAs隔熱機理示意圖；（d）CANA10、石墨、碳纖維氈和莫來石纖維氈在300℃熱臺上加熱30min的光學和紅外圖像；（e）CANA10可保護手臂（加熱3分鐘）和花朵（加熱5分鐘）在1300°C火焰下免受損壞；（f）石英燈單面加熱實驗照片以及（g）CANA10和莫來石纖維在1400°C下加熱1800 s的冷面溫升曲線；（h）CANA10在-60℃下的保溫試驗；（i）CANA10和已報道氧化鋁氣凝膠在1000℃下的熱導率對比圖；（j-i）CANAs比消光系數的理論計算及結構優化.

圖6. CANAs的本征超疏水性：（a）荷葉的宏觀照片和微觀SEM圖像；（b）CANAs對不同液體的疏水性照片；（c）CANAs的類荷葉結構及疏水機理示意圖； CANAs的（d）水接觸角（WCA）和（e）滾動角（RA）；水珠在CANAs表面上的（f）動態反彈過程和（g）按壓過程；（h）磨擦試驗過程示意圖（1000次循環）；（i）1000次磨損循環前后CANAs的AFM圖片；（j）疏水角隨磨損循環次數的變化曲線；（k）1000次磨損循環后CANAs的自清潔過程；（l）涂有CANAs粉末的不同材料表面的疏水行為照片

綜上所述，該研究工作提出了一種新型碳層封裝策略，通過在具有高長徑比的超細Al₂O₃納米棒表面原位引入碳層來制備具有“核-殼”結構的二元氣凝膠，碳涂層同時發揮了骨架增強、紅外遮光、相變抑制和疏水功能，賦予材料超輕質、高強度、耐溫超隔熱以及本征超疏水性等優異特性，為制備新型高速航天飛行器熱防護系統用高性能隔熱材料提供了新思路。

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