清華北大聯(lián)合發(fā)表重磅論文：超輕、超彈、隔熱陶瓷海綿

陶瓷在室溫下被認(rèn)為本質(zhì)上是脆性的，這主要歸因于晶體滑移的有限可用性和預(yù)先存在的幾何缺陷。此外，缺乏柔韌性嚴(yán)重阻礙了陶瓷材料的許多應(yīng)用。本文制備的陶瓷海綿同時具有超輕、彈性和隔熱性，并且可以以接近零的泊松比從大變形中完全回復(fù)。這些海綿狀材料還具有極好的抗疲勞性在 10,000 次大規(guī)模壓縮或屈曲循環(huán)中沒有累積損壞或結(jié)構(gòu)倒塌。我們證明了納米顆粒-玻璃雙相的彈性變形和開孔三維結(jié)構(gòu)中的纖維膨脹實現(xiàn)了**的靈活性。此外，這些海綿材料具有從深低溫（-196°C）到高溫（1500°C）的優(yōu)異的不隨溫度變化的超彈性。我們的研究不僅為眾多極端應(yīng)用開發(fā)了機(jī)械可靠的輕質(zhì)陶瓷，而且為多晶陶瓷柔性的起源提供了新的

2022-03-20 23:03:25材料學(xué)網(wǎng)

陶瓷因其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)而被**應(yīng)用于電子/光電子、生物材料、環(huán)境研究和能源領(lǐng)域。在極端環(huán)境下的隔熱和防火領(lǐng)域，與碳質(zhì)和聚合物材料相比，多孔陶瓷結(jié)構(gòu)具有獨特的優(yōu)勢，因為它們具有高熔點和低固有導(dǎo)熱率. 然而，由于在絕大多數(shù)溫度下缺乏主動彈性或延性變形，應(yīng)力主要集中在臨界載荷下*嚴(yán)重的預(yù)先存在的幾何缺陷（固有或制造原因）上，*終導(dǎo)致突然和災(zāi)難性的失效. 固有的剛性和脆性嚴(yán)重限制了它們在動態(tài)、沖擊、無約束載荷和高能量輸出條件下的擴(kuò)展應(yīng)用。

在這里，我們提出了一種簡單的溶液吹紡（SBS）策略，用于大規(guī)模制造超輕海綿材料，建立在 3D 交錯納米玻璃雙相（NGDP）陶瓷纖維上。陶瓷纖維的平均粒徑控制在~13.8 nm，均勻地原位嵌入無定形殼中。由于陶瓷基板固有的柔韌性，可應(yīng)對大變形超過 90% 的壓縮應(yīng)變或 80% 的屈曲應(yīng)變，所獲得的海綿材料同時表現(xiàn)出 10,000 次循環(huán)的強(qiáng)大疲勞耐受性，以及出色的恢復(fù)能力（支撐高達(dá)自身重量的 7750 倍的重量而不會斷裂）。

清華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院聯(lián)合北京大學(xué)通過構(gòu)建塊的納米顆粒-玻璃雙相結(jié)構(gòu)證明了宏觀陶瓷的超彈性和柔韌性。制備的陶瓷海綿同時具有超輕、彈性和隔熱性，并且可以以接近零的泊松比從大變形中完全恢復(fù)。這些海綿狀材料還具有極好的抗疲勞性在 10,000 次大規(guī)模壓縮或屈曲循環(huán)中沒有累積損壞或結(jié)構(gòu)倒塌。我們證明了納米顆粒-玻璃雙相的彈性變形和開孔三維結(jié)構(gòu)中的纖維膨脹實現(xiàn)了**的靈活性。此外，這些海綿材料具有從深低溫（-196°C）到高溫（1500°C）的優(yōu)異的不隨溫度變化的超彈性。陶瓷系統(tǒng)的靈活性源于包裹納米顆粒作為增強(qiáng)材料的延展性玻璃狀脈。這些雙相陶瓷海綿具有**的性能，例如重量輕、超彈性、耐疲勞、泊松比接近于零，并且在極寬的溫度范圍內(nèi)具有**的導(dǎo)熱率。此外，我們在此展示了陶瓷海綿材料可以輕松放大，因此可以**用于**的應(yīng)用，例如防火、紅外阻尼和太空探索. 這種用于納米顆粒-玻璃雙相陶瓷的合成技術(shù)也可以擴(kuò)展到其他陶瓷系統(tǒng)，以擴(kuò)大其在必須具有材料靈活性的應(yīng)用中的潛力。相關(guān)研究成果以題“Nanograin–glass dual-phasic, elasto-flexible, fatigue-tolerant, and heat-insulating ceramic sponges at large scales”發(fā)表在國際**期刊 Materials Today上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702122000402#m0035

作者首先選擇莫來石系統(tǒng)，因為它在高于 1600 °C 的極端溫度和惡劣環(huán)境中具有出色的結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性，但塑性或彈性變形能力和損傷容限不足（表 S1）。通常，亞微纖維膜和紗線可以通過現(xiàn)有的紡絲方法直接生產(chǎn)。圖 3a顯示了在應(yīng)變范圍為 20% 至 90% 的單軸準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下陶瓷海綿的壓縮-恢復(fù)變形過程和相關(guān)應(yīng)力-應(yīng)變 ( σ - ε ) 曲線。應(yīng)力-應(yīng)變行為表現(xiàn)出高度的非線性，以及沒有突變的閉合磁滯回線，這是粘彈性、耗能和高度可變形材料的象征性特征。**σ在 90% 的應(yīng)變下發(fā)現(xiàn)為 15.5 kPa，表明陶瓷海綿可以支撐高達(dá)自身重量的 7750 倍而不斷裂，這是其他彈性陶瓷很少觀察到的特性，并且優(yōu)于 SiO 2納米纖維氣凝膠（7000 倍。

圖 1。海綿陶瓷的制造、形態(tài)及保溫前景。(a) 示意圖顯示了溶液吹紡 (SBS) 的設(shè)置、成絲過程和消防服的潛力。(b) 方形陶瓷海綿的大比例照片。(c) 1-cm 3莫來石海綿自由站立在狗尾草的**，突出它們的超輕性質(zhì)。比例尺，1 厘米。(d) 1 厘米厚的海綿對其他未受保護(hù)的手具有顯著的隔熱性能。比例尺，5 厘米。(e) 1 cm 厚莫來石海綿的照片在丁烷加熱下可有效防止鮮花凋謝至少 5 分鐘噴燈（~1,300 °C）。比例尺，5 厘米。(f) ZrO 2 ·SiO 2 、硅線石(Al 2 SiO 5 )、鈦酸鋇(BaTiO 3 )、二氧化鈦(TiO 2 )和氧化鋯(ZrO 2 )陶瓷纖維的能量色散X射線光譜(EDS)圖. 比例尺，500 nm。(g) 莫來石海綿表面的掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。比例尺，300 μm。(h) 顯示納米顆粒的明場透射電子顯微鏡 (BF-TEM) 圖像結(jié)構(gòu)體。比例尺，50 nm。（插圖）莫來石纖維的選區(qū)電子衍射圖，點-暈混合結(jié)構(gòu)表明莫來石纖維由結(jié)晶和無定形部分組成。比例尺，5 1/nm。(i) 像差校正的高角度環(huán)形暗場掃描 TEM (HAADF-STEM) 圖像顯示了莫來石纖維的納米顆粒-玻璃雙相結(jié)構(gòu)。比例尺，5 nm。(j) 莫來石纖維中晶體部分的 HAADF-STEM 擴(kuò)大。比例尺，2 nm。

圖 2。單纖維的機(jī)械性能。(a)使用原子力顯微鏡(AFM) **進(jìn)行橫向彎曲試驗的固定莫來石纖維示意圖。(b)懸浮在溝槽硅晶片上的單根納米纖維的 SEM（頂部）和 AFM（底部）圖像。比例尺，5 μm。(c) 彈性操縱過程中記錄的力-位移曲線。（ d ）具有嵌入圓柱形結(jié)晶區(qū)域的NGDP樣品配置。(e)單軸拉伸下不同晶體體積的玻璃、純晶和雙相莫來石陶瓷的應(yīng)力與應(yīng)變曲線。（F）隨著晶體體積比從 0% 增加到 100% ，各種陶瓷系統(tǒng)的斷裂形態(tài)突出了從韌性斷裂向脆性斷裂的轉(zhuǎn)變。(g)雙相 30 光纖的有限元模擬，顯示晶體和玻璃相中的von Mises 應(yīng)力分布。內(nèi)拱和外拱中的晶相表現(xiàn)出比玻璃相強(qiáng)得多的應(yīng)力集中。(h) 當(dāng)彎曲到相同曲率半徑(2.0 μm)時，具有不同晶體體積比 (29.0%、38.2%、47.8% 和 77.1%) 的雙相莫來石纖維中玻璃相的等效應(yīng)變圖。

圖 3。莫來石海綿的彈性柔韌性。(a) 一個完整周期的快照，具有 90% 的壓縮應(yīng)變 (εC )和隨著εC幅度增加的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。比例尺，0.5 毫米。(b) 10,000 次循環(huán)壓縮試驗，ε C為 50%。(c)儲能模量、損耗模量和阻尼比的循環(huán)依賴性。(d) 泊松比與壓縮應(yīng)變。構(gòu)建塊的靈活性和開孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致泊松比接近于零. (e) 海綿彈回鋼球的快照以及現(xiàn)有材料的恢復(fù)速度與密度的比較。比例尺，5 毫米。圖表中的數(shù)字**相關(guān)參考。(f) 相對楊氏模量與其他輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的比較。(g) 一個屈曲循環(huán)的照片，ε B為 80%。(h) 隨著屈曲應(yīng)變 (εB) 幅度增加的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(i) ε B為 80%的10,000 次循環(huán)屈曲疲勞試驗。

圖 4。莫來石海綿的變形機(jī)理和不隨溫度變化的超彈性。(a)完整壓縮釋放周期的原位SEM 圖像疊加和標(biāo)記區(qū)域的放大圖。紅色和白色箭頭分別標(biāo)記相同點和亞微米纖維的移動軌跡。比例尺，300 μm。(b)原位SEM彎曲測試的快照和標(biāo)記區(qū)域的放大圖。比例尺，300 μm。(c) SEM 圖像顯示節(jié)點的壓縮和解壓縮。比例尺，2 μm。(e) 顯示束滑動的 SEM 圖像。比例尺，500 nm。(e)應(yīng)力依賴性的 3D 表面圖關(guān)于應(yīng)變和溫度。(f)在長期高溫條件下處理后的體積和拉伸強(qiáng)度變化。（插圖）在 1,500 °C 下處理 1 天后εC的一個壓縮循環(huán)的照片

圖 5。莫來石海綿的隔熱。(a)熱導(dǎo)率與溫度或體積密度的關(guān)系。(b) 層狀海綿中逐層阻氣效應(yīng)、多層漫反射效應(yīng)和熱橋抑制效應(yīng)的示意圖。(c) 不同彈性絕緣子的導(dǎo)熱系數(shù)和*高工作溫度的比較。縮寫：GR = 石墨烯；λ空氣 = 空氣的熱導(dǎo)率。(d) 4 電池模塊上的溫度響應(yīng)過熱引起的熱失控(TR) 傳播測試。圖例中的 TC 表示熱電偶并且它們的下標(biāo)可以在插圖中引用。（插圖）TR 傳播測試設(shè)置。(e) TR 傳播測試期間與時間相關(guān)的屏幕截圖和相應(yīng)的紅外熱成像圖像。(f) TR 測試前后電池模塊的照片，顯示莫來石海綿阻擋了 TR 傳播。(g)丁烷噴燈燃燒過程中正面的紅外圖像和背面的時間相關(guān)紅外圖像。（插圖）通過丁烷噴燈燃燒的絕緣測量設(shè)置。比例尺，1 厘米。

我們表明，NGDP結(jié)構(gòu)賦予陶瓷在超寬溫度范圍內(nèi)優(yōu)異的機(jī)械性能和穩(wěn)定性，以及其固有的出色化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性能。因此，這些超輕陶瓷海綿證明了從 -196 到 1500 °C的不隨溫度變化的超彈性，并且它也是（據(jù)我們所知）報告的任何超輕超彈性結(jié)構(gòu)的*寬范圍。我們測試了不同溫度（-30 到 1,000°C）下的熱導(dǎo)率（λ），由于熱輻射增強(qiáng)，觀察到從 0.028 到 0.088 W m -1 K -1的顯著增加（圖 5a）。環(huán)境溫度下的λ低至0.0307 W m -1 K -1。通過將密度從 20.00 降低到 2.18 mg cm -3可以實現(xiàn)0.0262 W m -1 K -1的甚至更低的 λ （圖 S14）。該值非常接近空氣的熱導(dǎo)率 (0.025 W m -1 K -1) 并且小于目前使用的絕緣體的值，例如發(fā)泡聚苯乙烯(0.030–0.040 W m -1 K -1 )、泡沫聚氨酯(0.020–0.030 W m -1 K -1 )、礦棉 (0.030–0.040 W m -1 K -1 ）和玻璃纖維氈（0.033–0.044 W m -1 K -1）。