一种具有优异力学性能的气凝胶纤维隔热材料

来源 | ACS Nano

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背景介绍

气凝胶纤维是一类典型的新材料，由于其具有高孔隙率、低导热性和低密度等优异特性，近年来受到越来越多的关注。这些特性为纳米多孔气凝胶纤维在隔热、可穿戴织物、电磁屏蔽、传热装置等领域的应用提供了广阔的前景。但是，高孔隙率使得纳米多孔气凝胶纤维本能地表现出较差的力学性能。然而，要克服纳米多孔气凝胶纤维因其高孔隙率而带来的脆弱力学特性，以便赋予其卓越的强度和高韧性，仍然是一个充满挑战性的难题。通过定向致密化和碳化，具有优先构建块取向的层状芳纶纳米纤维/碳纳米管杂化气凝胶膜的机械强度和电导率都得到了显著提高此外，相对于孔隙随机分布的纤维素气凝胶，具有高各向异性的纤维素块状气凝胶经定向冷冻干燥后的力学性能得到了显著提高。因此，纳米多孔气凝胶纤维的纳米结构取向排列可能是获得更好的力学性能的有效途径。

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成果掠影

近期，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员针对要克服纳米多孔气凝胶纤维因其高孔隙率而带来的脆弱力学特性的问题取得最新进展。该文报道了超韧气凝胶纤维(SAFs)最初是由离子液体解离纤维素通过湿纺丝和超临界干燥顺序开始制备的。所制得的纤维素纳米多孔气凝胶纤维具有卓越的性能，包括高比表面积(372 m2 /g)、良好的机械强度(30 MPa)和高伸长率(107%)。得益于其高强度和伸长率，合成的纤维素纳米多孔气凝胶纤维显示出高达21.85 MJ/m3的超高韧性，远远优于文献中已知的气凝胶材料。由于其良好的机械性能和高韧性，这些纤维还表现出极佳的可编织性，编织产品表现出卓越的隔热性能和出色的瞬态冲击防护性能，可应用于可穿戴设备、轻质隔热材料和其他新兴领域。这项工作为设计和制备强韧纳米多孔气凝胶纤维提供了重要的指导。研究成果以“Ionic Liquid Directed Spinning of Cellulose Aerogel Fibers with Superb Toughness for Weaved Thermal Insulation and Transient Impact Protection”为题发表于《ACS Nano》。

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图文导读

图1.超韧纤维素气凝胶纤维制备及与传统气凝胶纤维韧性对比示意图。

图2.纤维素的溶解机理以及纤维素水凝胶纤维的性能表征。

图3.超韧纤维素气凝胶纤维的形貌和性能表征。

图4.超韧纤维素气凝胶纤维的超韧机理。

图5.超韧纤维素气凝胶纤维在织物保温和冲击防护等领域的应用。

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