西安交大頂刊：超隔熱氣凝膠！1200℃含氧環境也能穩定

導讀：隔熱材料在節能、熱保護等領域具有重要意義。本文利用可控定向冷凍鑄造方法製備了的氣凝膠呈現各種突出的性能。包括：徑向熱超絕熱性能、可恢復徑向壓縮、高軸向剛度、良好的熱、化學穩定性（甚至在含氧環境中1200℃時也能穩定）。這些綜合的特性保證了該氣凝膠作為一種有前景的隔熱材料在極端環境下的安全應用。

具有優異機械強度、高效率、出色的熱穩定性和化學穩定性的隔熱材料對於節能和熱保護的安全應用建築、工業和航空航天領域具有重要意義。與傳統的絕熱材料相比，陶瓷氣凝膠由於其低的熱導率（例如二氧化矽氣凝膠熱導率為12-20 mW/m·K）和良好的化學穩定性（例如耐火性能）呈現出色的性能。但是，由氧化物納米粒子組成陶瓷的脆性和高溫下的結構崩潰會限制常規陶瓷氣凝膠的廣泛應用。一些新興可回收的石墨烯氣凝膠近年來收到關注，例如自然乾燥的石墨烯氣凝膠（在空氣中熱導率為18 mW/m·K），氨基矽烷交聯的石墨烯氣凝膠（空氣中19 mW/m·K）和三維石墨烯支架（真空中12.6 mW/m·K）。但是，由於石墨烯基材料在高於600 °C時容易發生分解行為，因此它們很難在高溫和含氧條件下使用。

為了克服這些阻礙，近日，西安交通大學王紅潔教授（通訊作者）等研究人員通過定向冷凍法和隨後的熱處理製備了具有納米線組裝各向異性和分層結構的SiC@SiO2納米線氣凝膠。這種氣凝膠表現出超低熱導率，約為14 mW/m·K，具有出色的高剛度(24.7 kN·m/kg)和優異的熱穩定性，即使丁烷噴燈加熱1200℃條件下也能保持穩定，這也使得它成為一個理想的可在極端條件下使用的熱絕緣材料！相關研究工作以「Anisotropic and hierarchical SiC@SiO2 nanowire aerogel with exceptional stiffness and stability for thermal superinsulation」為題發表在國際頂級期刊《Science advances》上。

論文連結：

https://advances.sciencemag.org/content/6/26/eaay6689

圖1. AH-SSCSNWA氣凝膠的製備流程、氣凝膠力學性能和耐火性測試

圖2. AH-SSCSNWA氣凝膠的相關結構表徵

圖3AH-SSCSNWA氣凝膠的絕熱性能測試

該氣凝膠在徑向和軸向方向上測得的熱導率分別約為14 mW/m·K和35 mW/m·K，各向異性係數約為2.5。AH-SSCSNWA氣凝膠的徑向熱導率低於具有無規分布微結構SiC納米線氣凝膠（其熱導率為26 mW/m·K），這也證明各向異性和分層結構設計的優越性。眾所周知，傳導，對流和輻射是導熱的三種方式，在微觀尺度上，對齊的孔充當氣體對流的通道，而對齊的管壁充當軸向上的固體傳導的通道，這將增加軸向上的傳熱並因此降低徑向上的導熱率。使用納米線構造塊會帶來大量的聲子勢壘，導致界面熱阻增加，從而降低了固體傳導。

圖4 AH-SSCSNWA氣凝膠的軸向機械性能測試

圖5 AH-SSCSNWA氣凝膠的徑向機械性能測試

AH-SSCSNWA氣凝膠在徑向上顯示出優異的機械柔韌性，該氣凝膠在軸向方向上表現出剛性變形行為，呈現較高的硬度和壓縮模量（24.7 KN·m/kg）。

圖6 AH-SSCSNWA氣凝膠的耐火性和耐高溫性能測試

熱穩定性和化學穩定性是評估絕熱材料應用安全性的另一個關鍵標準，通過在空氣爐中1000 ℃等溫處理證明了該AH-SSCSNWA氣凝膠良好的熱穩定性。

綜上所述，作者利用可控定向冷凍鑄造方法，結合隨後的熱處理工藝，製備了各向異性分層的SiC@SiO2納米線氣凝膠，納米線組裝成排列的管狀孔。氣凝膠呈現各種突出的性能，包括徑向熱超絕熱性能(14 mW / m·K)，可恢復徑向壓縮，高軸向剛度(24.7 kN·m/kg)，和良好的熱、化學穩定性(甚至在含氧環境中1200 oC時也能穩定)。這些綜合的特性保證了該氣凝膠作為一種有前景的隔熱材料在極端環境下的安全應用，特別是在高溫和含氧條件下，在這些條件下，傳統的聚合物絕緣材料很容易著火，陶瓷納米顆粒基氣凝膠通常會發生崩塌。這種陶瓷氣凝膠的設計和製備也為其他高性能納米結構材料的研究提供了借鑑。（文：嘉一）

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