清華《Nature》子刊：超強陶瓷海綿！性能太厲害了

2017年6月9日，發表在《科學進展》上一項研究表明，清華大學和布朗大學的研究員製作一種陶瓷海綿，既可以像海綿一樣變形，也能像陶瓷一樣隔熱。陶瓷海綿具有良好的通透性：二氧化鈦陶瓷海綿在水中可以容納自身50倍的重量，它可以通過與陽光反應去除水中的微粒，起到淨水作用。

近年來，各種海綿狀材料，包括碳納米管氣凝膠、納米纖維氣凝膠和石墨烯氣凝膠等由於它們的高壓縮性和彈性受到廣泛關注。其中，陶瓷海綿材料由於其輕質、大比表面積、低導熱性、優異化學和熱穩定性吸引了更多的興趣。憑藉這些特性，陶瓷海綿材料已被廣泛用於各種領域，包括保溫、水處理、催化劑載體、能量吸收和高溫空氣過濾。

但是，傳統的陶瓷海綿材料通常是由陶瓷氧化物（例如二氧化矽納米粒子）製成的，陶瓷材料固有的脆性嚴重限制了它們的使用壽命及實際應用。因此，迫切需要研發出具有出色的柔韌性、高壓縮性以及耐高低溫性能的陶瓷海綿材料。

具有不變溫度的高壓縮性的先進陶瓷海綿材料在絕熱材料、能量吸收器、催化劑載體和高溫空氣過濾器等領域有重要應用。但是，由於製備過程複雜，陶瓷海綿材料的應用受到嚴重限制。近日，清華大學伍暉課題組研究人員提出了一種通過吹塑和隨後煅燒的方法大規模製備高壓縮性、耐高溫SiO2-Al2O3複合陶瓷海綿的簡便方法。成功地製備出各向異性層狀陶瓷海綿，具有許多堆疊的超細纖維層，密度低至10 mg cm-3。各向異性層狀陶瓷海綿表現出高壓縮抗疲勞性、與應變無關的零泊松比、強大的耐火性、-196 °C至1000 °C的溫度不變壓縮回彈力以及出色的隔熱性，熱導率低至0.034 W m-1K-1。另外，層狀結構也賦予這種陶瓷海綿優異的吸聲性能，有希望替代現有的隔熱和吸聲材料。這項研究工作以「Highly compressible and anisotropic lamellar ceramic sponges with superior thermal insulation and acoustic absorption performances」為題發表在《Nature Communications》上。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17533-6

圖1 SiO2-Al2O3複合陶瓷海綿（SAC海綿）的製備

圖2這種陶瓷海綿的微觀結構

圖3 SiO2和SAC陶瓷海綿的機械柔韌性和壓縮性表徵

圖4壓縮下陶瓷海綿的機械性能表徵

圖5SAC海綿的熱性能

圖6 SAC海綿的吸聲特性

總之，作者使用簡單的溶膠-凝膠溶液吹紡技術開發出了各向異性片狀SAC海綿，具有恆定的溫度可壓縮性。具有大量堆疊的超細纖維層結構的海綿具有高達80％的出色機械壓縮應變、強大的機械穩定性，600次壓縮循環後的應力保持率為88.3％，以及與應變無關的零泊松比。此外，層狀結構和陶瓷成分還為SAC海綿提供了強大的耐火性，−196°C至1000 °C的溫度不變壓縮回彈力以及出色的隔熱性，具有低至0.034 W m-1K-1的熱導率的特性。SAC海綿還具有出色的吸音性能，NRC值為0.77，比大多數報導的吸聲材料都要好。此外，這種陶瓷海綿還可以通過分層結構切成各種形狀並堆疊到所需的厚度。（文：one end）

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