【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院合肥物質院固體所王振洋、張淑東研究團隊在氣凝膠耐高溫、機械強度及隔熱性能協同調制方面取得系列進展，相關研究成果發表在Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials&Interfaces和Chemical Engineering Journal上。
無機SiO2氣凝膠是由氧化硅納米顆粒自組裝而成的多孔固體材料，其豐富的顆?？紫吨谐錆M了空氣，進而賦予其體積密低度、孔隙率高以及導熱系數低等特點，被認為是熱導率最低的固體材料，已成為空天熱管理、芯片熱控、可控核聚變等高端熱控領域最關鍵的隔熱材料之一。然而無機SiO2氣凝膠的結構脆性、較低耐溫(≤700 ℃)等問題，限制了它在極端環境下的服役應用。
一維SiO2氣凝膠雖然可以有效解決結構脆性和彈性模量問題，但其強度和耐溫特性仍然有很大提升空間。鑒于此，固體所王振洋、張淑東研究員聯合重慶交通大學張繼祥教授，通過引入低含量ZrO2結晶相，提高一維SiO2纖維耐溫特性；在耐溫、低熱導的一維SiO2纖維單元間通過構建多種類熔合節點，進一步增加纖維間的鏈接，顯著提升了一維SiO2基氣凝膠的壓縮強度和斷裂韌性。獲得的一維SiO2氣凝膠導熱系數低至0.092 Wm-1K-1(與空氣一個數量級)，最大可承受彈性應變超過80%，抗壓強度高達3.89×105 Pa(80% 抗壓應變)，同時在 -196~1300 ℃的超寬溫度范圍內表現出穩定的彈性和結構完整性。相關研究成果發表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, 2024, 12, 16079-16086)上，并申請了國家發明專利(已授權)。
二維無機氣凝膠是由二維少層納米片結構通過有序組裝形成的多孔固體材料，已成為氣凝膠領域的新熱點。研究團隊以高豐度、低價的二維層狀結構蒙脫石納米片為結構單元，微量羥基磷灰石納米線作為支撐，利用定向冷凍手段成功構建出規則單向多孔三維網絡結構的二維類氣凝膠，其具有優異的隔熱性能和阻燃性能。在標準壓縮試驗中，氣凝膠的壓縮模量高達80MPa，相關研究成果發表在ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Inter., 2024, DOI: 10.1021/acsami.4c08796)上，并申請了國家發明專利。
此外，研究團隊對環保型建筑保溫材料生物質氣凝膠進行了新的探索。通過發展具有離子鍵、氫鍵和物理交聯等多種交聯模式，協同改善生物質氣凝膠的阻燃和機械性能，開發出阻燃性能優異、煙霧自熄性的生物質海藻酸鈉氣凝膠，可承受超過其自身2600倍的重量。相關研究成果發表在Chemical Engineering Journal (Chem. Eng. J., 2024, 489, 151223)上，并申請了國家發明專利。
上述研究不僅突破了氣凝膠耐溫與高強度不兼容的局限，而且為極端條件下高效隔熱、防火和機械堅固方面協同優化開發與應用提供了新材料。
相關工作得到了國家重點研發計劃、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊項目、國家自然科學基金、安徽省科技重大專項、安徽省重點研發計劃等項目的支持。
圖1. 一維SiO2基氣凝膠及耐溫與機械性能。
圖2. 二維類氣凝膠及多種性能。
圖3. 生物質氣凝膠及強度與隔熱性能比較。
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