11月2日
气凝胶是极端环境热防护的重要候选材料,但实际应用既要求其贴合目标表面以减弱热交换,又要求其承受复杂机械载荷。传统气凝胶骨架本征脆性严重限制应用;纳米纤维气凝胶(NFAs)虽可借助纤维柔性提升力学性能,但一维纤维重构网络以点接触和弱重叠为主,载荷传递效率低、结构能量泄漏有限,直接三维纤维构建又易因大孔丰富而增加气相传热并削弱热绝缘。层状NFAs虽具各向异性热障优势,却常受层间空隙常未被充分考虑、层间结合弱和分层失效困扰。因此,协调调控宏观构型与层间结构,成为同时实现低热导率与机械稳健性的关键挑战。
广西大学黄崇杏教授团队提出折纸启发的结构工程策略,构建折叠互锁纳米纤维气凝胶。研究将折叠互锁折纸骨架与定制层间结构结合,引入几何约束和纤维介导层间增韧。所得气凝胶在80%应变下压缩强度达548.02 kPa,接近零泊松比;层间网络增强抗分层能力,使材料在层间失效前可承受约40%拉伸应变。层间引导热流重分布带来0.035 W/(m·K)的低轴向热导率和显著各向异性热绝缘。该工作为航空航天等苛刻环境热防护提供了新架构策略。相关论文以“Origami-inspired folded-interlocked nanofiber aerogels for thermal insulation”为题,发表在Nature Communications上。

图1 折叠互锁O-PAN/BCs的制备策略与结构表征
研究以电纺PAN纳米纤维膜为起点,经260 ℃空气氧化1.5 h得到O-PAN,使其形成热稳定共轭梯形结构并保留可折叠性;随后将两片O-PAN膜折叠组装为弹簧状三维骨架,浸入BC分散液并真空浸渍,再经定向冷冻铸造和冻干,在层间构筑连续多孔BC网络。折叠互锁结构具有由自由侧、铰链侧和层间BC网络层组成的分级层压构型;层间区域由BC纤维形成多孔网络,且可通过BC浓度调控其疏松或致密程度;O-PAN/BCs-2密度为0.149 g/cm³,可置于花瓣上而不明显变形;XRD、XPS和FT-IR结果共同证实O-PAN与BC成功复合,并存在氢键相互作用。

图2 折叠互锁O-PAN/BCs的结构前提与轴向运动学
O-PAN膜在大折叠变形下无明显塌陷或断裂;材料具有介孔-大孔分级孔结构;随BC浓度增加,拉伸强度和剥离强度提高,O-PAN/BCs-4极限拉伸强度达14.37 MPa,最大剥离强度3.38 kPa,且分层最大拉伸应变接近40%。轴向拉伸时材料不发生简单层间平移,而表现出拉伸-扭转耦合,BC纳米纤维桥接相邻层并激活纤维介导层间增韧,耗散能量并抑制裂纹扩展;压缩-恢复过程接近零泊松比也得到证实。

图3 O-PAN/BCs的机械鲁棒性、超弹性和动态机械稳定性
力学性能方面,O-PAN/BCs 在高压缩应变下具有高比压缩强度,并可支撑500 g重物;在20%应变下经历1000次循环后塑性变形仅12.92%;压缩-恢复中的微观结构演化和面片弯曲、折叠角减小的超弹机制得到展示;DMA 结果表明,其储能模量、损耗模量和阻尼比在0.1~100 rad/s及-50~200 ℃范围内保持稳定,兼具高承载、超弹性和宽温域稳定性。

图4 O-PAN/BCs 的热稳定性、热绝缘性能与传热机制
热绝缘方面,O-PAN/BCs在100~280 ℃保持较好热稳定性;其与120 ℃热板的稳态温差达57.7 ℃,优于PU泡沫和棉;火焰防护演示中,热侧达306 ℃时冷侧仅136 ℃,花心仅56.3 ℃。BC浓度0.2 wt%时轴向热导率最低,为0.035 W/(m·K),各向异性因子达1.74;层间BC网络可促进径向热流重分布、延迟轴向热穿透,并抑制气相传导,从而降低服务方向热导率。
综上,该研究通过折叠互锁折纸骨架与定向冷冻铸造层间BC网络的耦合,建立了多尺度架构,使互锁几何约束和纤维介导层间增韧协同抑制分层,并实现稳定弹簧状变形、近零泊松比和优异抗疲劳性;定制层间多孔网络则作为定向传热调节器,重分布热流并增强各向异性热绝缘。该结构-机制-性能关系使O-PAN/BCs成为航空航天、精密器件和高温制造等苛刻环境热防护的潜力平台,并有望扩展至其他纤维体系,通过卷对卷纤维膜制造和自动折叠实现规模化生产。
(来源:高分子科学前沿)
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