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清華大學伍暉教授團隊《Nat. Commun.》：基于碎冰冷凍干燥的大規(guī)模超細陶瓷纖維氣凝膠
2023-09-10  來源：高分子科技

  冰模板法具有較好的可擴展性和高通用性，可以在多孔結(jié)構(gòu)材料的制備過程中實現(xiàn)精確的結(jié)構(gòu)控制。對于傳統(tǒng)的單向冷凍鑄造工藝，冰晶傾向于在低溫表面附近形核并沿著溫度梯度方向生長，從而形成各向異性結(jié)構(gòu)。因此目前也引入了多種策略來調(diào)節(jié)冷凍過程中的微結(jié)構(gòu)形成。但對于大尺寸制備，伴隨著冷凍過程中溫度梯度的消失和熱傳遞的減少，冰晶生長將逐漸減慢甚至停止，從而嚴重限制了多孔結(jié)構(gòu)材料的制備效率和厚度尺度。因此對于冷凍鑄造過程中的形核位置少和生長效率低的問題仍然有待解決。


  最近，清華大學材料學院伍暉教授團隊開發(fā)了一種具有普適性的、可控的碎冰模板法，通過滾筒對納米纖維漿料的旋轉(zhuǎn)冷凍和冰破碎，以及碎冰和漿料混合后的重新冷凍鑄造來大規(guī)模制備一種各向同性氣凝膠。高冷凍速率的旋轉(zhuǎn)滾筒冷凍和碎冰加入后的形成的多冰核生長位點能夠有效提高冷凍效率，從而提高了大尺寸多孔結(jié)構(gòu)材料的制備效率。該方法適用于多種納米纖維，為多孔結(jié)構(gòu)材料的大尺寸生產(chǎn)提供了新思路和新機遇（圖1）。 


圖1. 碎冰模板法大規(guī)模制造氣凝膠的示意圖


  該團隊通過熒光光學顯微鏡對碎冰模板法的冰晶生長規(guī)律進行了探究。隨著破碎冰晶的加入，人工引入的冰晶在漿料中增加了冰晶的生長位點，并且改變了傳統(tǒng)冷凍鑄造過程中單一的溫度梯度。所有預先存在的和隨機分布的碎冰都可以作為原始生長點，相鄰的冰晶將在沒有有利位置或取向的情況下無規(guī)則生長，從而實現(xiàn)了冷凍過程中由沿著溫度梯度的柱狀冰晶向等軸冰晶的轉(zhuǎn)變。而等軸冰晶的高度隨機堆疊將納米纖維組裝成具有拓撲結(jié)構(gòu)曲折通道的重復微尺度單元。冰晶升華后，納米纖維組裝的沿冰晶界面分布的胞腔結(jié)構(gòu)將得以保留。曲折和復雜的孔隙結(jié)構(gòu)將成為熱、電子或聲學傳輸?shù)挠行琳稀?/span> 


圖2. 單向冷凍(上)和碎冰鑄造(下)過程冰晶生長的示意圖 


圖3. 不同碎冰比例下使用光學熒光顯微鏡對碎冰冷凍進行原位觀察


  隨后該團隊以Al2O3·SiO2納米纖維為研究對象，驗證了碎冰模板法的結(jié)構(gòu)設計。由于形成了各向同性的胞腔結(jié)構(gòu)，所獲得的Al2O3·SiO2納米纖維氣凝膠表現(xiàn)出低密度、超彈性、良好的耐損傷性和抗疲勞性，以及超低的熱導率。此外，在光學和熱導率方面也觀察到顯著的結(jié)構(gòu)各向同性；谏鲜鰵饽z良好的機械柔性、高溫穩(wěn)定性和低熱導率，具有267.3 Wh kg?1的高能量密度電池模塊中的破壞性熱失控傳播過程可以被5毫米厚的Al2O3·SiO2納米纖維氣凝膠層有效阻擋。并且氣凝膠的低密度使得整個系統(tǒng)的重量增加可以忽略不計，因此該氣凝膠有望在各種熱保護場景中發(fā)揮巨大潛力。 


圖4. 陶瓷納米纖維氣凝膠的熱物理和力學性能


 圖5. 陶瓷納米纖維氣凝膠對熱失控的阻斷紅外圖像


  該成果近期發(fā)表在Nature Communications上，文章的第一作者為清華大學博士后李磊博士(現(xiàn)就職于北京理工大學)、清華大學博士生周儀倩和北京大學工程學院力學與工程科學系博士生高陽，聯(lián)合通訊作者為清華大學伍暉教授、中北大學李偉偉副教授、北京大學韋小丁教授和南京大學朱嘉教授。


  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41087-y


伍暉教授簡介


伍暉，清華大學材料學院教授、杰青。2009年于清華大學材料科學與工程系取得博士學位，2009年至2013年任美國斯坦福大學材料系博士后，2013年5月起就職于清華大學。研究領(lǐng)域包括超細纖維材料的制備和應用、電化學儲能材料、鋰電材料的回收和鋰鹽提純以及電解水材料和科學。以通訊作者身份在Nature Energy、Nature Sustainability、Science Advances、Nature Communications等學術(shù)期刊發(fā)表學術(shù)論文超過150篇，授權(quán)發(fā)明專利30項，出版專著章節(jié)1章。發(fā)表論文被引用超過34000次，H因子70。曾獲得教育部青年科學獎和國家杰出青年科學基金。

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（責任編輯：xu）
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