陶瓷纖維氣凝膠在極端高溫環(huán)境下的多功能設(shè)計(jì)與服役壽命提升至關(guān)重要，但受限于納米陶瓷纖維的脆性、高溫誘導(dǎo)晶粒生長(zhǎng)，以及多功能優(yōu)化帶來(lái)的力學(xué)弱點(diǎn)問(wèn)題嚴(yán)重制約了其輕質(zhì)、寬溫域適用和長(zhǎng)壽命服役特點(diǎn)的多功能陶瓷纖維組裝體的研制。傳統(tǒng)方法?；诓煌S度功能組元的引入來(lái)提升纖維氣凝膠的綜合性能，但往往會(huì)導(dǎo)致重量增加、成本上升或高溫下穩(wěn)定性不足的問(wèn)題。因此，如何通過(guò)單一纖維的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與多尺度組裝實(shí)現(xiàn)綜合性能優(yōu)異的陶瓷纖維氣凝膠的集成仍具挑戰(zhàn)。
日前，安徽工業(yè)大學(xué)吳操教授、劉明凱教授及其合作者提出了一種通過(guò)熱誘導(dǎo)陶瓷相變與界面演化行為調(diào)控硅鋯陶瓷納米纖維構(gòu)型熵值及熱物理性能的策略，結(jié)合壓力輔助收集技術(shù)成功制備了半有序性纖維氣凝膠材料，在機(jī)械、聲學(xué)、隔熱及微波吸收等方面都展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，解決了傳統(tǒng)多功能陶瓷纖維氣凝膠功能集成和長(zhǎng)時(shí)效耐溫性能設(shè)計(jì)之間的互斥問(wèn)題。相關(guān)工作以“Remarkably Enhance the Stealth/Resistance/Mechanical Properties of Silica-Zirconia Ceramic Aerogel by Phase Transitions and Interface Evolution”發(fā)表在《
Advanced Functional Materials》上。
【多功能陶瓷纖維氣凝膠跨尺度結(jié)構(gòu)組裝技術(shù)】
本工作結(jié)合了相調(diào)控策略以及優(yōu)化的紡絲技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了纖維長(zhǎng)徑比、平均直徑離散性、順排度和超薄層堆疊結(jié)構(gòu)的一體化提升；結(jié)合對(duì)熱驅(qū)動(dòng)因素具有嚴(yán)格依賴(lài)性的陶瓷相轉(zhuǎn)變和相增生行為的調(diào)控，在氣凝膠中的單絲層面形成了熱物理與熱化學(xué)行為的有效干擾，進(jìn)而在陶瓷纖維氣凝膠內(nèi)部形成了對(duì)多尺度結(jié)構(gòu)的精細(xì)控制。本文基于恰當(dāng)?shù)木w界面和微結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高溫下晶粒長(zhǎng)大行為的抑制，以及聲子傳輸行為的干擾，促進(jìn)了其多功能化和極端環(huán)境中的服役穩(wěn)定性。
硅鋯納米纖維氣凝膠的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能調(diào)控原理
工作系統(tǒng)性地總結(jié)了電壓、流速、硅含量等參數(shù)對(duì)纖維細(xì)度的影響，發(fā)現(xiàn)電壓、溫度和Si含量對(duì)纖維直徑調(diào)控的關(guān)鍵作用，并建立了可紡性工藝窗口區(qū)間。結(jié)合熱動(dòng)力學(xué)因素分析，揭示了溶劑揮發(fā)、泰勒錐演化過(guò)程和靜電牽伸作用的動(dòng)態(tài)平衡機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了大長(zhǎng)徑比纖維的穩(wěn)定性制備。
制備參數(shù)優(yōu)化與成纖行為動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制
【熱誘導(dǎo)硅鋯陶瓷纖維的相增生和相轉(zhuǎn)變行為】
工作基于電鏡和波普技術(shù)分析了熱處理技術(shù)對(duì)硅鋯氧化物相結(jié)構(gòu)、組分和缺陷等微結(jié)構(gòu)的調(diào)控規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了溫度梯度驅(qū)動(dòng)誘導(dǎo)形成的相增生和相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，并基于該現(xiàn)象建立了纖維單絲中構(gòu)型熵和焓值對(duì)溫度的依賴(lài)性關(guān)系模型，闡釋了溫度驅(qū)動(dòng)多功能化以及高溫穩(wěn)定性的強(qiáng)化原理。
ZS納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)與溫度誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變規(guī)律
【陶瓷纖維氣凝膠力、熱、隱身性能強(qiáng)化機(jī)理】
研究表明，多層堆疊和互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)賦予了氣凝膠材料Z向優(yōu)異的能量?jī)?chǔ)存和聲波反射阻抗單元，實(shí)現(xiàn)了材料高壓縮強(qiáng)度（335.5 kPa）和回彈性，優(yōu)于同類(lèi)材料性能。此外，由于多層結(jié)構(gòu)對(duì)聲波的多重散射與能量耗散，其吸隔聲性能得到協(xié)同提升（SAC=0.87, STL=34.8dB）。
互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)組裝體力聲性能跨尺度強(qiáng)化機(jī)制
針對(duì)多重界面的傳熱行為模擬表明，材料在高溫條件下具有優(yōu)異的熱阻遏能力。通過(guò)極寒（-196 ℃）和極熱（1300 ℃）環(huán)境實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了模擬結(jié)果，說(shuō)明了基于超薄多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)異的動(dòng)靜態(tài)熱阻效果，及其巨大的苛刻環(huán)境下應(yīng)用潛力。
苛刻環(huán)境下的隔熱性能與穩(wěn)態(tài)行為分析
介電常數(shù)分析表明，纖維氣凝膠高介電損耗源于多相界面極化與晶格缺陷誘導(dǎo)的偶極弛豫行為，保證了阻抗匹配性能的提升。針對(duì)其微波吸收特性的分析表明，材料反射損耗峰值達(dá)到-27.08 dB，有效吸收帶寬5.6 GHz，雷達(dá)散射信號(hào)強(qiáng)度低，適用于微波隱身領(lǐng)域的應(yīng)用。
氣凝膠微波吸收性能與損耗機(jī)制
【總結(jié)與展望】
本研究通過(guò)熱誘導(dǎo)陶瓷相的相變與界面演化行為調(diào)控硅鋯陶瓷納米纖維的構(gòu)型熵值，結(jié)合多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫及多功能集成的陶瓷纖維氣凝膠材料的制備，其在航天器熱防護(hù)、核級(jí)工業(yè)管道隔熱及多頻譜隱身等領(lǐng)域都展現(xiàn)出綜合性應(yīng)用潛能，其“多尺度結(jié)構(gòu)-多目標(biāo)性能”一體化設(shè)計(jì)策略可為輕質(zhì)多功能陶瓷材料的開(kāi)發(fā)提供了新的設(shè)計(jì)思路。
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202505742
來(lái)源：高分子科學(xué)前沿
聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請(qǐng)?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>
熱門(mén)跟貼