简介：超低密度陶瓷气凝胶以其低密度和低热导率、化学和热力学惰性、高孔隙率和大表面积等优异特性而备受关注，在催化、电学、环境和能源等领域得到了广泛的应用。【导读】超低密度陶瓷气凝胶以其低密度和低热导率、化学和热力学惰性、高孔隙率和大表面积等优异特性而备受关注，在催化、电学、环境和能源等领域得到了广泛的应用。然而，与目前大多数多孔陶瓷材料一样，这些陶瓷气凝胶大多是刚性和脆性的，在断裂前只有轻微的弹性变形，除非它们与聚合物混合或生长在预先存在的碳网络上。在仅由陶瓷组分组成的气凝胶中，从未观察到由聚合物或碳制成的气凝胶获得了超弹性。由于已知陶瓷的比弹性弯曲应变低于聚合物或碳，因此在多孔陶瓷网络中实现超弹性将是一个巨大的挑战。最近，一些学者通过将柔性二氧化硅纳米纤维与铝硼硅酸盐(AlBSi)基体结合，制备了超弹性层状陶瓷纳米纤维气凝胶，使陶瓷气凝胶具有超弹性。【成果简介】近日，东华大学余院士和丁斌教授(通讯作者)领导的纳米纤维研究团队在上发表了一篇关于陶瓷气凝胶的文章，题为《超轻耐火的具有温度不变性超弹性的陶瓷纳米纤维气凝胶》。将二氧化硅纳米纤维与铝硼硅酸盐基体结合，制备了超弹性层状陶瓷纳米纤维气凝胶。该方法成功地将随机沉积的二氧化硅纳米纤维大规模组装成密度可调且具有预期形状的弹性陶瓷气凝胶。CNFAs密度低，80%应变能快速恢复，1100泊松比为零，具有不随温度变化的超弹性。此外，陶瓷的整体特性也为CNFAs提供了强大的耐火和隔热性能，这类新材料可以为轻质、弹性和结构适应性陶瓷的发展提供新的方向。[图片导读]图1 CNF as的结构设计和细胞架构(a)CNF as制备过程示意图；(CNFAS元素的XPS光谱；(c)由丁烷燃烧器加热的CNFA没有损坏；(d)不同形状的CNFA的光学图像；(e)CNFA站在羽毛尖上的光学图像；(f-h)NFAS在不同放大倍数下的微观结构呈现梯度纳米纤维胞状结构；(I)单根纳米纤维的STEM-EDS图像，具有分别对应于Si、O、Al和B的元素映射图像；(j)三个层次的相关结构。图2 cnfa的多循环压缩性能(a)随着振幅的增加，加卸载循环过程中的压缩和的曲线；(b) 500次压缩为60%的循环疲劳试验；(c)杨氏模量、能量损失系数、最大应力和压缩循环；(CNFAS与的泊松比；(e)压缩下纳米纤维细胞壁翻转示意图；(f-g)单细胞和单根纳米纤维曲率半径的SEM图像；(h)弯曲二氧化硅纳米纤维的微结构示意图；(I)一组实时图像，显示中国国家足球运动员协会能够高速弹起钢珠；(j)NFAS的储能模量、损耗模量和阻尼比的频率依赖性；(k)低密度选定单元气凝胶的相对杨氏模量。图3 cnfa在宽温度范围(A-C)内的力学性能cnfa的储能模量、损耗模量和阻尼比与角频率的关系；(d)在不同温度下处理30分钟后压缩和回收CNFAS(e)在1000、1200和1400下处理30分钟后CNFA的XRD图案；(f)在1200和1400下处理30分钟后CNFA的SEM图像；(g-h)在酒精灯和丁烷燃烧器的火焰中压缩和回收CNFAs的过程。
图4 cnfa的隔热性能(a)cnfa的导热系数与密度之间的函数关系；(b)气凝胶类材料的导热性与最高工作温度之间的关系；(c)用于隔热应用的大型CNFA的光学图像；(d)比较CNFAS与二氧化硅和氧化铝材料的隔热能力；(CNFAS在350下30分钟的光学和红外图像；(f)在丁烷燃烧器下暴露120秒后CNFA的光学和红外图像。【概要】本文将层状胞状纤维结构与结合了AlBSi的二氧化硅纳米纤维相结合，使超轻陶瓷基气凝胶具有超弹性。凭借其超低密度、弹性可压缩性、零泊松比、恒温超弹性、低热导率和阻燃性，预计这些优异的CNFAs材料将在绝热、催化剂载体、吸附剂、柔性电气设备以及电磁、能量、声学或振动阻尼等诸多领域发挥重要作用。此外，还提出了CNFAs制备的基本原则和弹性机理。因此，可以预期，类似于二氧化硅纳米纤维的其他陶瓷纳米纤维可能参与CNFA的制备，为开发新型陶瓷基功能气凝胶提供了机会。
