中國粉體網(wǎng)訊 在科技飛速發(fā)展的今天,導(dǎo)熱與散熱問題一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)之一。無論是航天器的熱防護(hù)、建筑節(jié)能,還是極端環(huán)境下的設(shè)備保護(hù),高效隔熱材料的研發(fā)都至關(guān)重要。
近日,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)葉冬冬教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西安交通大學(xué)宋建偉教授團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)朱書澤教授團(tuán)隊(duì),成功開發(fā)了一種具有“外疏內(nèi)密”梯度納米結(jié)構(gòu)的氣凝膠纖維,為導(dǎo)熱與散熱領(lǐng)域帶來了革命性突破!這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《Nature Communications》上,引發(fā)了廣泛關(guān)注。
傳統(tǒng)氣凝膠的瓶頸:導(dǎo)熱與機(jī)械性能難以兼得
氣凝膠是一種輕質(zhì)納米多孔材料,因其超低密度和高孔隙率(通常>90%),在隔熱領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛力。其隔熱原理是通過內(nèi)部豐富的納米孔隙結(jié)構(gòu),限制空氣分子碰撞、延長熱傳導(dǎo)路徑并增強(qiáng)界面熱阻,從而實(shí)現(xiàn)卓越的隔熱性能。然而,傳統(tǒng)濕法紡絲技術(shù)制備的氣凝膠纖維存在一個(gè)致命缺陷:致密的外層結(jié)構(gòu)顯著降低了高效隔熱納米孔隙的體積占比,導(dǎo)致徑向熱導(dǎo)率較高(0.027-0.5 W/mK),限制了其性能的進(jìn)一步提升。
突破性設(shè)計(jì):“外疏內(nèi)密”梯度納米結(jié)構(gòu)
為了解決這一難題,葉冬冬教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用了微流控紡絲技術(shù),精準(zhǔn)調(diào)控微流道內(nèi)溶劑的剪切與擴(kuò)散過程,使凝膠纖維形成“外疏內(nèi)密”的梯度結(jié)構(gòu)。具體來說,纖維的鞘層平均孔徑為150 nm,芯層平均孔徑為600 nm。這種設(shè)計(jì)不僅顯著提升了孔隙率(從98%增至98.6%),還將纖維密度降低至15.7 kg/m³,同時(shí)優(yōu)化了熱傳遞路徑與界面熱阻。
在超臨界干燥過程中,纖維表面的“外疏內(nèi)密”結(jié)構(gòu)發(fā)生反轉(zhuǎn),最終形成梯度全納米結(jié)構(gòu)的芳綸氣凝膠纖維(GAFs)。實(shí)驗(yàn)表明,這種纖維的徑向熱導(dǎo)率低至0.0228 W/mK,比空氣(0.026 W/mK)還要低,較傳統(tǒng)氣凝膠纖維降低了30%-67%。
熱模擬與梯度全納米結(jié)構(gòu)氣凝膠纖維制備
卓越性能:隔熱與力學(xué)性能的雙重突破
1.隔熱性能:熱阻隔能力顯著提升
研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)與模擬驗(yàn)證了GAFs的卓越隔熱性能。當(dāng)熱臺(tái)設(shè)定為200°C時(shí),GAFs織物表面溫度僅為190.3°C,較傳統(tǒng)皮芯結(jié)構(gòu)纖維降低了3.2°C。在-30°C至270°C的寬溫域測(cè)試中,0.5 mm厚的GAFs織物可實(shí)現(xiàn)冷/熱端溫差33.4°C/63°C,1 mm厚度的溫差更提升至45.4°C/113°C,性能遠(yuǎn)超PVC、PI等合成纖維及硅基氣凝膠。
梯度全納米結(jié)構(gòu)纖維熱阻隔性能及機(jī)制研究
2.力學(xué)性能:強(qiáng)韌兼?zhèn)?/strong>
除了優(yōu)異的隔熱性能,GAFs的力學(xué)性能也實(shí)現(xiàn)了重大突破。實(shí)驗(yàn)顯示,GAFs的抗拉強(qiáng)度達(dá)29.5 MPa,斷裂伸長率為39.2%,韌性高達(dá)5.7 MJ/m³。相比之下,傳統(tǒng)皮芯結(jié)構(gòu)纖維的韌性僅為1.06 MJ/m³。GAFs在承受50克重量和1000次拉伸循環(huán)后,性能和形貌幾乎不變,展現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性。
梯度全納米結(jié)構(gòu)纖維力學(xué)性能及強(qiáng)韌機(jī)制研究
應(yīng)用前景:從航天熱防護(hù)到智能建筑
這種梯度全納米結(jié)構(gòu)氣凝膠纖維的誕生,為多個(gè)領(lǐng)域提供了革新性解決方案:
1)航天熱防護(hù):在極端高溫或低溫環(huán)境下,GAFs可有效保護(hù)航天器設(shè)備。
2)建筑節(jié)能:作為高效隔熱材料,GAFs可大幅降低建筑能耗。
3)極端環(huán)境防護(hù):在極地科考、深海探測(cè)等領(lǐng)域,GAFs可為設(shè)備和人員提供可靠的熱保護(hù)。
參考來源:
高分子科學(xué)前沿,Nature Communications
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-025-57646-4
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言)
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