丁彬ACS Nano：可耐1300℃高温的具有超强，超弹性和层状多结构的ZrO2-Al2O3纳米纤维气凝胶

Nanoyu

2020-10-30

目前，人们迫切需要开发具有足够机械稳定性和优异耐高温性能的先进陶瓷气凝胶材料以有效用于恶劣环境下的隔热材料。然而，陶瓷气凝胶材料的实际应用一直受到机械性能差和热震降解的限制。

近日，东华大学丁彬教授，斯阳教授报道了将ZrO₂−Al₂O₃纳米纤维与Al(H₂PO₄)₃基体（AHP）结合，成功制备出同时具有超强、超弹性和耐高温的层状多拱结构陶瓷纳米纤维气凝胶（ZrAlNFAs）。

文章要点

1）ZrAlNFAs的制备过程包括浸泡堆积、冷冻干燥和煅烧。首先，将前驱体ZrO₂−Al₂O₃溶胶/聚氧乙烯溶液混合静电纺丝，制备了柔性ZrO₂−Al₂O₃纳米纤维。纳米纤维膜在800 °C的空气中煅烧1 h，使有机成分完全分解，形成晶相。用Al(H₂PO₄)₃浸渍堆积ZrO₂−Al₂O₃非功能材料，浸泡30 min，逐层堆积。随后，将片状组件冷冻干燥成未粘结的ZrAlNFAs。在冻结过程中，AHP溶液中的水逐渐凝固到冰晶模板中，形成具有纳米纤维多孔结构的材料。最后，将未粘结的ZrAlNFAs在800 °C下煅烧1 h，从而形成交联的ZrO₂−Al₂O₃纳米纤维网络。在空气中煅烧后，在纤维表面原位烧结形成正交AlPO₄，最终与相邻的ZrO₂−Al₂O₃纳米纤维结合。

2）实验结果显示，所制备的ZrO₂−Al₂O₃纳米纤维气凝胶具有应变恢复快、压缩强度大于1100 kPa（应变为90%）、优异抗疲劳性和恒温超弹性等综合性能。此外，全陶瓷元件特性使得陶瓷纳米纤维气凝胶具有高达1300 ℃的耐高温和低导热系数（0.0322 W m⁻¹ K⁻¹）的优异隔热性能。

这些优异的性能使陶瓷气凝胶成为极端条件下高温隔热材料的理想选择材料。

Xinxin Zhang, et al, Ultrastrong, Superelastic, and Lamellar Multiarch Structured ZrO₂−Al₂O₃ Nanofibrous Aerogels with High-Temperature Resistance over 1300 °C, ACS Nano, 2020

DOI: 10.1021/acsnano.0c06423

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c06423