傳統(tǒng)陶瓷氣凝膠雖因低密度、低導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，在隔熱、催化等領(lǐng)域具應(yīng)用潛力，但存在兩大關(guān)鍵瓶頸：一是力學(xué)性能脆弱，固有珠鏈狀微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致抗沖擊性差，多數(shù)材料可恢復(fù)壓縮應(yīng)變＜30%；二是高溫穩(wěn)定性不足，如SiO2基氣凝膠在＞900℃時(shí)易發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌與體積收縮，難以適應(yīng)極端環(huán)境需求。對(duì)此，國內(nèi)有關(guān)研究團(tuán)隊(duì)究采用“電紡-浸涂堆疊-冷凍干燥-煅燒” 四步法，開發(fā)了超強(qiáng)力學(xué)性能、超彈性、耐1300℃以上的層狀多拱結(jié)構(gòu)ZrO2-Al2O3納米纖維氣凝膠（ZrAlNFAs）。據(jù)相關(guān)研究顯示，ZrO2-Al2O3納米纖維氣凝膠力學(xué)性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)陶瓷氣凝膠：90% 應(yīng)變下可快速恢復(fù)，抗壓強(qiáng)度達(dá)1100kPa，能支撐自身重量6 萬倍以上；60% 應(yīng)變下經(jīng)1000 次循環(huán)壓縮，仍保留70% 初始強(qiáng)度，塑性變形僅12.5%，能量損失系數(shù)穩(wěn)定在0.26。同時(shí)，ZrO2-Al2O3納米纖維氣凝膠展現(xiàn)卓越的溫度不變性超彈性：在- 196℃（液氮環(huán)境）與500℃下，1000 次循環(huán)后仍維持超彈性，儲(chǔ)能模量與阻尼比基本不變；最高耐受溫度達(dá)1300℃，1300℃處理后無明顯體積損失，而1500℃以上才發(fā)生ZrO2四方相向單斜相轉(zhuǎn)變與晶粒長(zhǎng)大（平均晶粒尺寸從30.3nm增至55.3nm）。全陶瓷成分是高溫穩(wěn)定性的關(guān)鍵，ZrO2提供抗高溫能力，Al2O3抑制ZrO2相變，AlPO4粘結(jié)層在1100-1500℃下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。此外，ZrO2-Al2O3納米纖維氣凝膠室溫?zé)釋?dǎo)率低至0.0322W?m-¹?K-¹，5mm厚樣品在1300℃噴燈火焰下加熱10 分鐘，背面最高溫度僅180℃，且宏觀與微觀結(jié)構(gòu)完整，無明顯燒蝕。低導(dǎo)熱性源于高孔隙率抑制氣體對(duì)流，層狀結(jié)構(gòu)削弱熱輻射，納米纖維低固導(dǎo)熱率減少固體傳熱，三者協(xié)同實(shí)現(xiàn)高效隔熱。
小結(jié)
ZrO2-Al2O3納米纖維氣凝膠突破傳統(tǒng)陶瓷氣凝膠的性能瓶頸：在制備上，將電紡技術(shù)與AHP 交聯(lián)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)材料形狀可定制與柔性卷曲；在性能上，同步實(shí)現(xiàn)90% 應(yīng)變恢復(fù)率、1100kPa 抗壓強(qiáng)度、-196至1300℃寬溫域穩(wěn)定性及0.0322W?m-¹?K-¹低導(dǎo)熱率，解決 “高強(qiáng)度與超彈性難共存”“高溫下結(jié)構(gòu)易失效” 兩大行業(yè)難題。該材料為航空航天、高溫工業(yè)設(shè)備等極端環(huán)境的隔熱防護(hù)提供理想解決方案，同時(shí)其層狀多拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，也為其他多孔陶瓷材料的性能優(yōu)化提供重要參考。
圖 1 ZrO?-Al?O?納米纖維膜構(gòu)建層狀納米纖維氣凝膠
圖2 ZrO?-Al?O?納米纖維氣凝膠（ZrAlNFAs）的力學(xué)性能及壓縮機(jī)制
圖 3 ZrO?-Al?O?納米纖維氣凝膠（ZrAlNFAs）超彈性相關(guān)測(cè)試
圖 4 ZrO?-Al?O?納米纖維氣凝膠（ZrAlNFAs）的隔熱性能
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