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清華大學(xué)伍暉教授團(tuán)隊(duì)《Nat. Commun.》：基于碎冰冷凍干燥的大規(guī)模超細(xì)陶瓷纖維氣凝膠
2023-09-10  來(lái)源：高分子科技

  冰模板法具有較好的可擴(kuò)展性和高通用性，可以在多孔結(jié)構(gòu)材料的制備過(guò)程中實(shí)現(xiàn)精確的結(jié)構(gòu)控制。對(duì)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(zhǎng)，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(lái)調(diào)節(jié)冷凍過(guò)程中的微結(jié)構(gòu)形成。但對(duì)于大尺寸制備，伴隨著冷凍過(guò)程中溫度梯度的消失和熱傳遞的減少，冰晶生長(zhǎng)將逐漸減慢甚至停止，從而嚴(yán)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(duì)于冷凍鑄造過(guò)程中的形核位置少和生長(zhǎng)效率低的問(wèn)題仍然有待解決。


  最近，清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種具有普適性的、可控的碎冰模板法，通過(guò)滾筒對(duì)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(lái)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(zhǎng)位點(diǎn)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(jī)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(tuán)隊(duì)通過(guò)熒光光學(xué)顯微鏡對(duì)碎冰模板法的冰晶生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)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(zhǎng)位點(diǎn)，并且改變了傳統(tǒng)冷凍鑄造過(guò)程中單一的溫度梯度。所有預(yù)先存在的和隨機(jī)分布的碎冰都可以作為原始生長(zhǎng)點(diǎn)，相鄰的冰晶將在沒(méi)有有利位置或取向的情況下無(wú)規(guī)則生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了冷凍過(guò)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(jī)堆疊將納米纖維組裝成具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)曲折通道的重復(fù)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(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)將成為熱、電子或聲學(xué)傳輸?shù)挠行琳稀?/span> 


圖2. 單向冷凍(上)和碎冰鑄造(下)過(guò)程冰晶生長(zhǎng)的示意圖 


圖3. 不同碎冰比例下使用光學(xué)熒光顯微鏡對(duì)碎冰冷凍進(jìn)行原位觀察


  隨后該團(tuán)隊(duì)以Al2O3·SiO2納米纖維為研究對(duì)象，驗(yàn)證了碎冰模板法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(dǎo)率。此外，在光學(xué)和熱導(dǎo)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(jī)械柔性、高溫穩(wěn)定性和低熱導(dǎo)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(guò)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(gè)系統(tǒng)的重量增加可以忽略不計(jì)，因此該氣凝膠有望在各種熱保護(hù)場(chǎng)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(xué)性能


 圖5. 陶瓷納米纖維氣凝膠對(duì)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(xué)博士后李磊博士(現(xiàn)就職于北京理工大學(xué))、清華大學(xué)博士生周儀倩和北京大學(xué)工程學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系博士生高陽(yáng)，聯(lián)合通訊作者為清華大學(xué)伍暉教授、中北大學(xué)李偉偉副教授、北京大學(xué)韋小丁教授和南京大學(xué)朱嘉教授。


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


伍暉教授簡(jiǎn)介


伍暉，清華大學(xué)材料學(xué)院教授、杰青。2009年于清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系取得博士學(xué)位，2009年至2013年任美國(guó)斯坦福大學(xué)材料系博士后，2013年5月起就職于清華大學(xué)。研究領(lǐng)域包括超細(xì)纖維材料的制備和應(yīng)用、電化學(xué)儲(chǔ)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(xué)。以通訊作者身份在Nature Energy、Nature Sustainability、Science Advances、Nature Communications等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文超過(guò)150篇，授權(quán)發(fā)明專利30項(xiàng)，出版專著章節(jié)1章。發(fā)表論文被引用超過(guò)34000次，H因子70。曾獲得教育部青年科學(xué)獎(jiǎng)和國(guó)家杰出青年科學(xué)基金。

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