拥有优良机械性能的阻热材料被广泛应用于建筑、工厂以及航天飞行器等。相比传统的阻热材料，陶瓷气凝胶拥有优良的化学稳定性和阻热性能（热传导率仅为12-20 mW/m·K），因此，陶瓷气凝胶在阻热领域有十分广阔的应用前景。但是陶瓷气凝胶质地十分脆，在高温下会导致结构上的破坏，这些缺点限制了陶瓷气凝胶的应用。为了解决这些缺陷，近几年的研究都集中在利用纳米材料制作阻热气凝胶，如氧化物纳米纤维海绵、Si3N4纳米带状气凝胶等等。由纳米材料组合而成的气凝胶虽然提升了气凝胶的机械性能，但是纳米纤维组装过程中形成的宏观孔洞使得气凝胶的阻热性能下降。同时，由纳米结构组装成的气凝胶质地变得更加柔软。以上两点因素限制了纳米材料组装成得气凝胶的应用。近期，西安交通大学研究人员开发出了一种由SiC纳米纤维组装而成的具有蜂窝状的气凝胶。通过1000 ℃处理，在SiC纳米纤维表面形成一层SiO2，形成的SiO2层可以实现SiC纳米纤维之间的连接，在提升气凝胶的机械性能的同时提升了其阻热性能、热稳定性能和化学稳定性。该气凝胶的热传导率可以低至14 mW/m·K，而其压缩模量约为24.7 KN·m/kg。在经过丁烷喷枪（最高温度可达1200 ℃)烧过以后，气凝胶的微观机构和机械性能无明显改变。以上几点证明了该气凝胶优异的性能。图一：SiC@SiO2气凝胶的制造过程以及机械性能和耐火性概述。（A）SiC@SiO2气凝胶的制造过程。（B）一块体积约为15立方厘米的SiC@SiO2气凝胶的照片，站在叶子上，表明其超低密度。（C）照片显示20克重可以由一块重量为5毫克的SiC@SiO2气凝胶支撑，这表明SiC@SiO2气凝胶的高硬度。（D）垂直燃烧测试显示良好SiC@SiO2气凝胶的耐火性。在气凝胶的制备过程中，将SiC纳米纤维分散在去离子水中，利用铜棒实现定向冷冻铸造，冻干后得到具有蜂窝状的气凝胶。而蜂窝状的机构使得气凝胶具有各向异性热导率的特性。众所周知，热传递的形式有三种，分别是热传导、对流传热，以及热辐射。当热在纵向传导时，由于通孔导致使得对流传热得以实现，而壁面也可以实现热的传导，这两点使得气凝胶纵向的热导率可以达到35 mW/m·K。而在热在横向传导时，传导过程主要通过固体的热传导实现。而横向的热传导路径比纵向传导更为曲折，使得热的传递更加困难。在横向热传递的热导率仅为纵向的40%。图二：SiC@SiO2气凝胶的热超绝热性能。SiC@SiO2气凝胶分别在（A）轴向和（B）径向上的导热行为，显示了不同方向的各向异性传热行为。（C）SiC@SiO2气凝胶在轴向和径向上的热导率。（D）示意图显示了实现热超隔热的机制。由于气凝胶的蜂窝状结构，使得气凝胶的力学性能也呈现各向异性。在纵向，气凝胶呈现比其他纤维组装气凝胶更高的硬度和压缩模量（24.7 KN·m/kg），而气凝胶在压过以后仍然可以回复而不会破损。其主要原因是由于SiO2外壳实现了SiC纳米纤维连接，使得纤维在弯折后可以回复。图三：SiC@SiO2气凝胶在轴向上的机械性能。（A）SiC@SiO2气凝胶的轴向压缩应力-应变曲线显示四个变形区域：线性弹性状态<2.5％应变，非线性弹性状态2.5至7％应变，塑性屈服平稳期在7至48％应变，以及48％应变后的致密化过程。插图显示了0至50％应变范围内的放大曲线。（B）SiC@SiO2气凝胶的比模量比较以及其他具有随机结构的气凝胶。（C）SiC@SiO2气凝胶的机械性能，密度范围为1.4至6.5 mg / cm3在轴向上。（D）不同高度多孔结构的相对杨氏模量绘制在其相对密度上。（E）SiC@SiO2气凝胶在弹性中的结构演变轴向压缩区域。（F）SiC@SiO2气凝胶在轴向方向上的连续卸荷压缩试验。而在横向，气凝胶也展现了优异的回复性能。在反复100次的压缩-松弛循环过程中，气凝胶的高度几乎不变。在压缩过程中，蜂窝壁与壁之间的夹角缩小（从126°变为100°），而在松开后可以复原。压缩模量虽然在前20次循环过程中有所下降，但是后80次循环模量也几乎不变。这证明了气凝胶优良的机械性能，拓宽了气凝胶的应用场景。图四：SiC@SiO2气凝胶在径向上的机械性能。（A）SiC@SiO2气凝胶的径向压缩应力-应变曲线，显示高压缩率。（B）SiC@SiO2气凝胶的机械性能，密度范围为1.4至6.5 mg / cm3在径向上。（C）结构的演变SiC@SiO2气凝胶在径向压缩和释放过程中。（D）SiC@SiO2气凝胶的百条循环压缩应力-应变曲线径向。（E）100个压缩周期内的相对高度演变。（F）在100次压缩循环中最大应力演变。SiO2包裹SiC纳米纤维，提升气凝胶的热稳定性及化学稳定性
在制备气凝胶的过程中，通过1000℃的处理，使得在SiC表面形成了一层SiO2，而SiO2十分稳定（熔点可达1732℃），因此增加了气凝胶的热稳定性和化学稳定性。在1200℃的灼烧下，气凝胶可以保持优良的机械性能，通过扫描电镜观察，微观的纤维结构几乎没有变化。在灼烧的过程中，还可以实现气凝胶的压缩和回复。图五：SiC@SiO2气凝胶的耐火性和高温性。（A）一块SiC@SiO2气凝胶的等温热处理前后的宏观形态在1000°C的空气炉中放置30分钟。（B和C）SiC@SiO2气凝胶在1000°C下等温处理30分钟后在轴向和径向上的压缩应力-应变曲线方向。图6B中的插图显示了在1000°C等温处理30分钟后纳米线的TEM图像。（D）一块SiC@SiO2气凝胶丁烷喷灯的加热。（E）通过使用红外热像仪检测到的气凝胶表面温度分布。（F）之后的气凝胶照片被丁烷喷枪处理30分钟。（G）经丁烷吹管处理30分钟后的气凝胶的SEM。（H）重复压缩恢复丁烷吹管下气凝胶的能力。（I）在大气中获得的气凝胶的TGA曲线。（J）丁烷处理后的纳米线的TEM图像吹火炬30分钟。（K）丁烷喷灯处理30分钟之前和之后气凝胶的FTIR光谱。（L）在含氧环境中热绝缘体的最高工作温度作者通过在SiC纳米纤维表面烧结出一层SiO2，使得由SiC组装而成的气凝胶的机械性能，热稳定性和化学稳定性都得到了提升，克服了传统陶瓷气凝胶和其他纳米结构组装气凝胶的劣势。SiC@SiO2气凝胶优异的隔热性能和机械性能使得其拥有广阔的应用前景。该工作题为“Anisotropic and hierarchical SiC@SiO2 nanowire aerogel with exceptional stiffness and stability forthermal superinsulation”发表在《sicence advance》上。https://advances.sciencemag.org/content/6/26/eaay6689![]()
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