蘇州納米所王錦/胡東梅AFM：鳳凰涅槃法制備柔性、可賦型耐1300℃高溫陶瓷氣凝膠及其阻燃絕熱涂料
阻燃、耐高溫?zé)峁芾聿牧显诤娇蘸教?、建筑和日常生活中具有廣泛的應(yīng)用。氣凝膠作為一類超低密度和超低熱導(dǎo)率的多孔材料，在耐高溫?zé)峁芾聿牧系臏p重、瘦體等方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。然而高分子基氣凝膠材料長(zhǎng)期服役耐溫極限一般在500℃以下，而無(wú)機(jī)氧化物等新型氣凝膠，其高溫下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、力學(xué)性能、以及密度與熱導(dǎo)率等綜合性能還待提升。此外，傳統(tǒng)氣凝膠由于極高的孔隙率導(dǎo)致其脆性大、難以二次加工等，因此如何實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異型件進(jìn)行極端高溫?zé)岱雷o(hù)，也是有待突破的瓶頸。
近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所王錦等人設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)便易行的策略來(lái)制備能夠耐受1300℃高溫的柔性可賦型陶瓷氣凝膠。如圖1所示，通過(guò)采用商品化的氧化硅氣凝膠顆粒以及莫來(lái)石陶瓷纖維作為結(jié)構(gòu)組份，用水溶性高分子將二者在水溶液中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)重排（前驅(qū)體溶液），形成類似鳥巢結(jié)構(gòu)的交叉互扣的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，最后定型干燥后采用明火將水性高分子祛除（鳳凰涅槃法，圖2），從而得到具有仿生鳥巢結(jié)構(gòu)的柔性、輕質(zhì)和可賦型的氧化硅-氧化鋁復(fù)合陶瓷氣凝膠（Fire-reborn silica-alumina hybrid ceramic aerogel, FR-SACA）。柔性氧化硅-氧化鋁陶瓷雜化氣凝膠（silica-alumina hybrid ceramic aerogel, SACA）密度極低，僅為0.01 g/cm3。在燒盡高分子基底后，生成了火重生的FR-SACA其密度最低為 0.007 g/cm3。此外，可將其前驅(qū)體溶液澆注到預(yù)先設(shè)計(jì)好的模具中，或直接進(jìn)行刮涂可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
圖1. 復(fù)合陶瓷氣凝膠的制備路線圖、光學(xué)照片、大面積制備、以及潛在應(yīng)用示意圖
圖2. 普通復(fù)合薄膜的燃燒過(guò)程、鳳凰涅槃燃燒過(guò)程及其機(jī)理示意圖
FR-SACAs的結(jié)構(gòu)完全由陶瓷纖維搭接而成，雖然整個(gè)制備過(guò)程沒(méi)有引入化學(xué)反應(yīng)，但類似鳥巢的結(jié)構(gòu)不僅賦予了其一定的強(qiáng)度，而且還具有良好的壓縮回彈性，能夠在80%的壓縮應(yīng)變下完全回彈。涅槃后的復(fù)合氣凝膠在900℃范圍內(nèi)幾乎沒(méi)有任何質(zhì)量損失，熱導(dǎo)率也維持在0.04 Wm-1K-1以下（圖3）。
圖3. SACA和FR-SACA的物理性能表征
為了驗(yàn)證FR-SACAs的高溫隔熱性能，對(duì)不同厚度的樣品進(jìn)行了酒精燈火焰和丁烷火焰隔熱性能研究。采用紅外攝像機(jī)連續(xù)監(jiān)測(cè)了火焰暴露下FR-SACAs的動(dòng)態(tài)溫度分布，并在FR-SACAs的正反面安裝熱電偶，以測(cè)量實(shí)際溫度并繪制溫度變化曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)暴露在高溫火焰（1300 ℃）中時(shí)，20 毫米厚的 FR-SACA 可保持穩(wěn)定的隔熱性能，溫度降低 1179.6 ℃，比丁烷火焰溫度降低 80% 以上（圖4）。
圖4. FR-SACAs 的高溫隔熱性能
此外，本工作制備的前驅(qū)體溶液能夠直接作為耐高溫阻燃隔熱涂料使用。如圖5所示，前驅(qū)體可以直接涂覆在字母（異性結(jié)構(gòu)件）上，黏附強(qiáng)度達(dá)160 kPa。為了研究FR-SACA隔熱阻燃涂料在更大范圍內(nèi)的效果，研究者制備了使用該涂料的紙房子，并在真實(shí)大火中進(jìn)行燃燒。結(jié)果表明，涂有氣凝膠陶瓷涂料的紙屋和未受保護(hù)的紙屋同時(shí)暴露在大火中，大火持續(xù)燃燒16 秒后，未受保護(hù)的紙屋被火焰燒毀，而涂有FR-SACA涂料的紙屋則未受影響；在約105秒的整個(gè)燃燒過(guò)程中，未受保護(hù)的紙屋被燒毀并化為灰，而涂有氣凝膠陶瓷涂料的紙屋仍然完好無(wú)損。
圖5. FR-SACA 隔熱防火涂料在實(shí)際應(yīng)用中的燃燒實(shí)驗(yàn)和隔熱機(jī)理
本研究通過(guò)極為簡(jiǎn)單的純物理過(guò)程構(gòu)筑了具有輕質(zhì)、柔性、耐極端高溫、可賦性的陶瓷氣凝膠及其涂料，制備方法有望連續(xù)化批量制備，可廣泛應(yīng)用于極端環(huán)境下的熱管理應(yīng)用。相關(guān)工作以Flexible and Transformable Ceramic Aerogels via a Fire-Reborn Strategy for Thermal Superinsulation in Extreme Conditions為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所輕量化實(shí)驗(yàn)室碩士生程瀅穎，通訊作者為中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所胡東梅項(xiàng)目研究員和王錦項(xiàng)目研究員。本工作得到蘇州市科技局基礎(chǔ)研究試點(diǎn)項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)支持。
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