超低密度陶瓷氣凝膠由于其低密度和熱導率、化學和熱力學惰性、高孔隙率和大比表面積等優異特性而極具吸引力，并且已經廣泛用于催化、電、環境等領域。然而與目前大多數多孔陶瓷材料一樣，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絡上生長。在僅由陶瓷組分構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變低于聚合物或碳的彈性彎曲應變，因而在多孔陶瓷網絡中實現超彈性將是一項重大挑戰。最近，東華大學俞建勇院士及丁彬教授（通訊作者）帶領的納米纖維研究團隊通過將柔韌的SiO2納米纖維與鋁硼硅酸鹽（AlBSi）基體結合，制備了超彈性層狀結構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沉積的SiO2納米纖維大規模組裝成具有可調節密度和預期形狀的彈性陶瓷氣凝膠。CNFAs密度低，可從80%的應變迅速恢復，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提供了強大的耐火性和隔熱性能，這類新型材料可為輕質、彈性和結構適應性陶瓷的發展提供新方向。

    CNFAs的結構設計和蜂窩體系結構

    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在不同放大倍數下的顯微結構展示了分級納米纖維細胞狀結構；（I）為分別具有對應Si、O、Al和B的元素映射圖像的單納米纖維的STEM-EDS圖像；（J） 為相關結構的3個層次。

    CNFAs的多循環壓縮性質

    圖中（A）為加載-卸載循環過程中壓縮應變-應力曲線；（B）為壓縮應變為60％的500次循環疲勞試驗結果；（C）為楊氏模量、能量損失系數和最大應力與壓縮循環；（D）為CNFAs的泊松比；（E）為壓縮下納米纖維細胞壁的反轉示意圖；（F-G）為單個細胞和單一納米纖維曲率半徑的SEM圖像；（H）為彎曲SiO2納米纖維微結構的示意圖；（I）為一組實時圖像，顯示CNFAs可以高速反彈鋼球；（J）為CNFAs的儲能模量、損耗模量和阻尼比的頻率依賴性；（K）為低密度選定細胞氣凝膠的相對楊氏模量。

    CNFAs在很寬的溫度范圍內的力學性能

    圖中（A-C）為CNFAs的儲能模量、損耗模量和阻尼比與角頻率的關系圖；（D）為CNFAs在各種溫度下處理30min后的壓縮和恢復工作；（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的壓縮和恢復過程。

    CNFAs的隔熱性能

    圖中（A）為CNFAs的導熱率與密度的函數關系；（B）為氣凝膠材料的導熱率與最大工作溫度的關系；（C）為用于絕熱應用的大規模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的光學和紅外圖像；（F）為CNFAs在丁烷噴燈下暴露120s后的光學和紅外圖像

    該研究通過將分層的細胞纖維結構和AlBSi結合的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、低導熱和耐火等特性，預計這種卓越的CNFAs材料將在絕熱、催化劑載體、吸附劑、柔性電氣設備和電磁、能量、聲學或振動阻尼等多個領域發揮重要作用。此外，作者還提出了CNFAs制備和彈性機制的基本原則。因此，可以預計，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，為開發新型基于陶瓷的功能性氣凝膠提供了機遇。

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org

責任編輯：王元

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事
投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414