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清華北大聯手發頂刊！一種超強多功能陶瓷海綿

2022-05-12 13:13:20 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

通常，陶瓷被認為在室溫下本質上是脆性的，這主要歸因于有限的晶體滑移和預先存在的幾何缺陷。此外，彈性的缺乏嚴重阻礙了陶瓷材料的許多高端應用。

在此，來自北京大學的韋小丁和清華大學的林元華&伍暉等研究者合成了一種陶瓷海綿，它同時具有超輕、彈性、隔熱等特點，并且可以在大變形后完全恢復，泊松比接近于零。相關論文以題為“Nanograin–glass dual-phasic, elasto-flexible, fatigue-tolerant, and heat-insulating ceramic sponges at large scales”發表在MaterialsToday上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702122000402

陶瓷，因其獨特的物理和化學性質，在電子/光電子、生物材料、環境研究和能源等領域得到了廣泛的應用。在極端環境下的保溫防火領域，多孔陶瓷結構具有較高的熔點和較低的固有熱導率，與碳質和聚合物材料相比具有獨特的優勢。然而，由于在絕大多數溫度下缺乏主動彈性或韌性變形，在臨界載荷下，應力主要集中在最嚴重的預先存在的幾何缺陷（固有的或制造起源的），最終導致突然和災難性的故障。陶瓷固有的剛性和脆性，嚴重限制了其在動態、沖擊、無側限載荷和高能輸出條件下的擴展應用；例如，電池組熱失控（TR）期間的熱阻塞，毀滅性火場中的熱防護，火箭發動機周圍的熱保護，宇航員的生命支持。

在過去的幾十年里，人們致力于通過基礎材料結構設計來克服多孔陶瓷的脆性。以往的研究主要集中在聚合物/碳雜化陶瓷雜化材料（如石墨烯/Al2O3氣凝膠）和聚合物涂層機織陶瓷織物，但工作溫度和導熱系數均不理想。一種具有吸引力的輕質甚至超輕陶瓷結構的熱絕緣體系列，包括一維（1D）納米結構組件、3D/4D打印聚合物衍生的超材料、冰晶模板多孔氣凝膠，以及現有的有機或碳質模板復制材料，已被廣泛研究。具體來說，Greer等人發明了強、輕、可回收的3D空心管納米晶格材料。這是陶瓷結構中類似延性變形和可恢復性的先導性演示。Duan等人報道了一種由三維石墨烯氣凝膠模板制成的具有雙曲線結構的新型陶瓷氣凝膠，其具有強大的力學和熱穩定性。這些先進的結構，通過計算機設計或基礎模板翻轉制備，可以獲得優越的力學性能，在一定程度上克服了陶瓷固有的脆性。然而，這種行為還沒有擴展到陶瓷砌塊或結晶結構。最關鍵的是，單晶或多晶有序如何能使變形能力有如此大的增長，這一基本問題仍未得到解答。

更詳細地說，在極少數情況下，納米粒、單晶和玻璃結構提供了獨特的機會，來實現之前未觀察到的超彈性或延展性。典型的變形機制有：小尺度納米晶粒改性馬氏體柱中的晶界滑動機制、納米尺度單晶膜中納米疇可逆動態演化機制以及非晶態薄膜中的粘性蠕變機制。應用實例有商業上可用的光纖、陶瓷微纖維和具有無缺陷玻璃陶瓷結構的透明陶瓷。這些創新的設計原則展示了一種具有卓越力學性能的超納米結構，這啟發了人們探索和設計一種類似的宏觀超輕陶瓷結構的納米結構。

在此，研究者提出了一種簡單的解決方案，用于大規模制造超輕海綿材料，其建立在三維交錯納米顆粒-玻璃雙相（NGDP）陶瓷纖維上。陶瓷纖維的平均晶粒尺寸控制在約13.8 nm，均勻地原位嵌入非晶殼中。由于陶瓷基板固有的柔韌性，在超過90%的壓縮應變或80%的屈曲應變的大變形下，獲得的海綿材料同時表現出10,000次循環的魯棒疲勞容忍能力，以及卓越的恢復能力（支撐重量高達自身重量的7750倍而不斷裂）。此外，研究者還證明了這些海綿材料可以作為高性能的隔熱材料，能夠承受巨大的熱機械沖擊，并防止高能動力電池模塊中相鄰單元之間的爆燃。這些結果拓寬了陶瓷材料的工業應用到高強度熱機械沖擊系統，以及火災事故的緊急保護。

圖1 海綿陶瓷的制造、形貌及保溫前景。

圖2 單纖維的力學性能。

圖3 莫來石海綿的彈性。

圖4 莫來石海綿的變形機理及溫度不變超彈性。

圖5 莫來石海綿的保溫性能。

綜上所述，研究者通過構建納米顆粒-玻璃雙相結構，證明了宏觀陶瓷的超彈性和柔韌性。陶瓷系統的柔韌性，來源于封裝納米顆粒作為增強劑的延展性玻璃狀礦脈。這些雙相陶瓷海綿具有優異的性能，如輕量化、超彈性、耐疲勞、接近零的泊松比和在非常寬的溫度范圍內的超低導熱系數。此外，本文還表明，陶瓷海綿材料可以很容易地按比例放大，因此，可以廣泛應用于防火、紅外阻尼和空間探索等領域。

這種納米顆粒-玻璃雙相陶瓷的合成技術，也可以擴展到其他陶瓷系統，從而擴大其在材料靈活性是必須的應用領域的潛力。

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