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,陶瓷拉斯维加斯3499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,陶瓷拉斯维加斯3499在阻热领域有十分广阔的应用前景。但是陶瓷拉斯维加斯3499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拉斯维加斯3499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拉斯维加斯3499,如氧化物纳米纤维海绵、Si3N4纳米带状拉斯维加斯3499等等。由纳米材料组合而成的拉斯维加斯3499虽然提升了拉斯维加斯3499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拉斯维加斯3499的阻热性能下降。同时,由纳米结构组装成的拉斯维加斯3499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拉斯维加斯3499的应用。

​西安交通大学王红洁团队《Science》子刊:超级隔热拉斯维加斯3499!1200℃煅烧毫无压力

近期,西安交通大学王红洁团队开发出了一种由SiC纳米纤维组装而成的具有蜂窝状的拉斯维加斯3499。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,在提升拉斯维加斯3499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拉斯维加斯3499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,拉斯维加斯3499的微观机构和机械性能无明显改变。以上几点证明了该拉斯维加斯3499优异的性能。

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图一:SiC@SiO2拉斯维加斯3499的制造过程以及机械性能和耐火性概述。(A)SiC@SiO2拉斯维加斯3499的制造过程。(B)一块体积约为15立方厘米的SiC@SiO2拉斯维加斯3499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拉斯维加斯3499支撑,这表明SiC@SiO2拉斯维加斯3499的高硬度。(D)垂直燃烧测试显示良好SiC@SiO2拉斯维加斯3499的耐火性。

蜂窝状结构设计,各向异性热导率

在拉斯维加斯3499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拉斯维加斯3499。而蜂窝状的机构使得拉斯维加斯3499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,这两点使得拉斯维加斯3499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%。

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图二:SiC@SiO2拉斯维加斯3499的热超绝热性能。SiC@SiO2拉斯维加斯3499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拉斯维加斯3499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。

SiO2连接SiC纳米纤维,增加拉斯维加斯3499的机械性能

由于拉斯维加斯3499的蜂窝状结构,使得拉斯维加斯3499的力学性能也呈现各向异性。在纵向,拉斯维加斯3499呈现比其他纤维组装拉斯维加斯3499更高的硬度和压缩模量(24.7 KN·m/kg),而拉斯维加斯3499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。

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图三:SiC@SiO2拉斯维加斯3499在轴向上的机械性能。(A)SiC@SiO2拉斯维加斯3499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拉斯维加斯3499的比模量比较以及其他具有随机结构的拉斯维加斯3499。(C)SiC@SiO2拉斯维加斯3499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拉斯维加斯3499在弹性中的结构演变轴向压缩区域。(F)SiC@SiO2拉斯维加斯3499在轴向方向上的连续卸荷压缩试验。

而在横向,拉斯维加斯3499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,拉斯维加斯3499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。这证明了拉斯维加斯3499优良的机械性能,拓宽了拉斯维加斯3499的应用场景。

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图四:SiC@SiO2拉斯维加斯3499在径向上的机械性能。(A)SiC@SiO2拉斯维加斯3499的径向压缩应力-应变曲线,显示高压缩率。(B)SiC@SiO2拉斯维加斯3499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拉斯维加斯3499在径向压缩和释放过程中。(D)SiC@SiO2拉斯维加斯3499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,提升拉斯维加斯3499的热稳定性及化学稳定性

在制备拉斯维加斯3499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),因此增加了拉斯维加斯3499的热稳定性和化学稳定性。在1200℃的灼烧下,拉斯维加斯3499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,还可以实现拉斯维加斯3499的压缩和回复。

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图五:SiC@SiO2拉斯维加斯3499的耐火性和高温性。(A)一块SiC@SiO2拉斯维加斯3499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拉斯维加斯3499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拉斯维加斯3499丁烷喷灯的加热。(E)通过使用红外热像仪检测到的拉斯维加斯3499表面温度分布。(F)之后的拉斯维加斯3499照片被丁烷喷枪处理30分钟。(G)经丁烷吹管处理30分钟后的拉斯维加斯3499的SEM。(H)重复压缩恢复丁烷吹管下拉斯维加斯3499的能力。(I)在大气中获得的拉斯维加斯3499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分钟之前和之后拉斯维加斯3499的FTIR光谱。(L)在含氧环境中热绝缘体的最高工作温度

总结全文

作者通过在SiC纳米纤维表面烧结出一层SiO2,使得由SiC组装而成的拉斯维加斯3499的机械性能,热稳定性和化学稳定性都得到了提升,克服了传统陶瓷拉斯维加斯3499和其他纳米结构组装拉斯维加斯3499的劣势。SiC@SiO2拉斯维加斯3499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。

全文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/26/eaay6689

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