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《CEJ》:新型超轻质耐高温超隔热气凝胶!
材料科学网
>《待分类》
2022.11.29 江西
关注
新型高速航天飞行器热防护系统对兼具低密度、高强度、耐高温和低热导的高性能气凝胶隔热材料提出了迫切需求。然而,传统颗粒状气凝胶通常需要用高密度纤维进行力学增强,并且在
1200°C
以上易发生烧结,新兴的超轻纳米纤维气凝胶常温热导率很低,但由于大量微米级通孔的存在,难以有效抑制高温辐射传热。此外,为了避免吸湿导致的隔热性能衰减,气凝胶通常需要经过复杂的后处理以获得疏水性。因此,开发区别于纳米颗粒和纳米纤维的新型气凝胶迫在眉睫。
近日,国防科技大学
冯坚
团队和西安交通大学
唐桂华
团队基于碳层封装策略,联合开发出一种新型多功能
Al
2
O
3
-C“
核
-
壳
”
纳米棒气凝胶。
该材料兼具超轻质
(
0.086 g·cm
-3
)
、高强度
(比抗压强度为
69.83 kN·m·kg
-1
)
、超低热导
(
1200℃
下热导率为
0.065 W·m
-1
·K
-1
)
、超高耐温
(氩气中高达
1500℃
,脱碳后在空气中高达
1400℃
)
以及本征超疏水
(
1000
次摩擦循环后疏水角仍为
156°
)
等优异性能,其中热导率较国内外同类隔热材料最低值优
20%
,密度降低
75%
。相关成果以题
“Carbon Layer Encapsulation Strategy for Designing Multifunctional Core-Shell Nanorod Aerogels as High-Temperature Thermal Superinsulators”
发表在著名期刊《
Chemical Engineering Journal
》上。柳凤琦和西安交大博士研究生贺晨波为共同第一作者,姜勇刚副研究员与冯坚研究员为共同通讯作者。
论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140502
图
1.
(
a
)
RANAs, CANAs
和
DANAs
的制备工艺流程图及微观结构图片;(
b
)
Al
2
O
3
纳米棒和
RF
涂层之间的强界面相互作用;(
c
)
RANAs
、(
d
)
CANAs
和(
e
)
DANAs
的
SEM
图像;(
f
)
CANAs
的
HRTEM
图像;
CANAs
的(
j
)
HAADF TEM
图像和(
h-i
)
EDS
图谱
图
2.
(
a-b
)低密度
CANAs
的宏观照片及(
c
)承重实验照片;(
d
)
CANAs
的力学有限元模拟结果;(
e-f
)不同碳含量
CANAs
的力学性能及与(
j
)已报道氧化铝气凝胶的力学性能对比
图
3.
(
a
)不同碳含量的
CANAs
经
1400°C
碳化后的
SEM
图像和(
b
)
θ
相含量;(
c
)在氩气中不同碳化温度
CANAs
的
XRD
图谱;(
d
)
1400-DANA
和
PANA
在空气中不同加热温度下的
XRD
图谱、(
e
)
θ
相含量和(
f
)
SSA
值
图
4. 1400-DANA
在(
a
)
1300°C
煅烧
1
小时和(
b
)
1400°C
煅烧
15
分钟后的
SEM
图像;(
c
)
1400-CANA
在
1400°C
下煅烧
15
分钟之后的
HRTEM
图像;
1400-DANA
(
d
)在丁烷喷灯(
~1300℃
)下加热
120秒
和(
e
)在液氮(
~196℃
)中浸泡
120
秒的照片;(
f
)
DANAs
耐高温机理示意图
图
5. CANAs
的高温超隔热性能:(
a
)不同碳含量
CANAs
的室温热导率和密度;(
b
)不同碳含量(
0%
、
5%
、
10%
和
15%
)
CANAs
的高温热导率;(
c
)
CANAs
隔热机理示意图;(
d
)
CANA10
、石墨、碳纤维毡和莫来石纤维毡在
300℃
热台上加热
30min
的光学和红外图像;(
e
)
CANA10
可保护手臂(加热
3
分钟)和花朵(加热
5
分钟)在
1300°C
火焰下免受损坏;(
f
)石英灯单面加热实验照片以及(
g
)
CANA10
和莫来石纤维在
1400°C
下加热
1800 s
的冷面温升曲线;(
h
)
CANA10
在
-60℃
下的保温试验;(
i
)
CANA10
和已报道氧化铝气凝胶在
1000℃
下的热导率对比图;(
j-i
)
CANAs
比消光系数的理论计算及结构优化
.
图
6. CANAs
的本征超疏水性:(
a
)荷叶的宏观照片和微观
SEM
图像;(
b
)
CANAs
对不同液体的疏水性照片;(
c
)
CANAs
的类荷叶结构及疏水机理示意图;
CANAs
的(
d
)水接触角(
WCA
)和(
e
)滚动角(
RA
);水珠在
CANAs
表面上的(
f
)动态反弹过程和(
g
)按压过程;(
h
)磨擦试验过程示意图(
1000
次循环);(
i
)
1000
次磨损循环前后
CANAs
的
AFM
图片;(
j
)疏水角随磨损循环次数的变化曲线;(
k
)
1000
次磨损循环后
CANAs
的自清洁过程;(
l
)涂有
CANAs
粉末的不同材料表面的疏水行为照片
综上所述,该研究工作提出了一种新型碳层封装策略,通过在具有高长径比的超细
Al
2
O
3
纳米棒表面原位引入碳层来制备具有“核
-
壳”结构的二元气凝胶,碳涂层同时发挥了骨架增强、红外遮光、相变抑制和疏水功能,赋予材料超轻质、高强度、耐温超隔热以及本征超疏水性等优异特性,为制备新型高速航天飞行器热防护系统用高性能隔热材料提供了新思路。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持
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