王锦/胡东梅AFM：凤凰涅槃法制备柔性、可赋型耐1300℃高温陶瓷气凝胶及其阻燃绝热涂料

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阻燃、耐高温热管理材料在航空航天、建筑和日常生活中具有广泛的应用。气凝胶作为一类超低密度和超低热导率的多孔材料，在耐高温热管理材料的减重、瘦体等方面独具优势。然而高分子基气凝胶材料长期服役耐温极限一般在500℃以下，而无机氧化物等新型气凝胶，其高温下的结构稳定性、力学性能、以及密度与热导率等综合性能还待提升。此外，传统气凝胶由于极高的孔隙率导致其脆性大、难以二次加工等，因此如何实现对结构复杂的异型件进行极端高温热防护，也是有待突破的瓶颈。
　　近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦等人设计了一种简便易行的策略来制备能够耐受1300℃高温的柔性可赋型陶瓷气凝胶。如图1所示，通过采用商品化的氧化硅气凝胶颗粒以及莫来石陶瓷纤维作为结构组份，用水溶性高分子将二者在水溶液中实现结构重排（前驱体溶液），形成类似鸟巢结构的交叉互扣的增强结构，最后定型干燥后采用明火将水性高分子祛除（凤凰涅槃法，图2），从而得到具有仿生鸟巢结构的柔性、轻质和可赋型的氧化硅-氧化铝复合陶瓷气凝胶（Fire-reborn silica-alumina hybrid ceramic aerogel, FR-SACA）。柔性氧化硅-氧化铝陶瓷杂化气凝胶（silica-alumina hybrid ceramic aerogel, SACA）密度极低，仅为0.01 g/cm3。在烧尽高分子基底后，生成了火重生的FR-SACA其密度最低为 0.007 g/cm3。此外，可将其前驱体溶液浇注到预先设计好的模具中，或直接进行刮涂可实现大规模生产。

　　图1. 复合陶瓷气凝胶的制备路线图、光学照片、大面积制备、以及潜在应用示意图

　　FR-SACAs的结构完全由陶瓷纤维搭接而成，虽然整个制备过程没有引入化学反应，但类似鸟巢的结构不仅赋予了其一定的强度，而且还具有良好的压缩回弹性，能够在80%的压缩应变下完全回弹。涅槃后的复合气凝胶在900℃范围内几乎没有任何质量损失，热导率也维持在0.04 Wm-1K-1以下。
　　为了验证FR-SACAs的高温隔热性能，对不同厚度的样品进行了酒精灯火焰和丁烷火焰隔热性能研究。采用红外摄像机连续监测了火焰暴露下FR-SACAs的动态温度分布，并在FR-SACAs的正反面安装热电偶，以测量实际温度并绘制温度变化曲线。实验结果表明，当暴露在高温火焰（1300 ℃）中时，20 毫米厚的 FR-SACA 可保持稳定的隔热性能，温度降低 1179.6 ℃，比丁烷火焰温度降低 80% 以上。
　　此外，本工作制备的前驱体溶液能够直接作为耐高温阻燃隔热涂料使用。如图5所示，前驱体可以直接涂覆在字母（异性结构件）上，黏附强度达160 kPa。为了研究FR-SACA隔热阻燃涂料在更大范围内的效果，研究者制备了使用该涂料的纸房子，并在真实大火中进行燃烧。结果表明，涂有气凝胶陶瓷涂料的纸屋和未受保护的纸屋同时暴露在大火中，大火持续燃烧16 秒后，未受保护的纸屋被火焰烧毁，而涂有FR-SACA涂料的纸屋则未受影响；在约105秒的整个燃烧过程中，未受保护的纸屋被烧毁并化为灰，而涂有气凝胶陶瓷涂料的纸屋仍然完好无损。
　　本研究通过极为简单的纯物理过程构筑了具有轻质、柔性、耐极端高温、可赋性的陶瓷气凝胶及其涂料，制备方法有望连续化批量制备，可广泛应用于极端环境下的热管理应用。相关工作以Flexible and Transformable Ceramic Aerogels via a Fire-Reborn Strategy for Thermal Superinsulation in Extreme Conditions为题发表在Advanced Functional Materials上。论文第一作者为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所轻量化实验室硕士生程滢颖，通讯作者为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所胡东梅项目研究员和王锦项目研究员。本工作得到苏州市科技局基础研究试点项目和中国科学院青促会支持。
　　论文链接 ：https://doi.org/10.1002/adfm.202309148
      


           文章来源：苏州纳米所
       　王锦，项目研究员，硕士生导师，2019年度纳米所优青获得者，2020年度江苏省“双创计划”科技副总。2012年3月于北京理工大学获博士学位；2012年4月-2014年1月分别在日本东京工业大学有机与高分子化学系和山形大学工学部进行博士后研究；2014年2月加入中科院苏州纳米所，任副研究员、项目研究员。长期以来，一直从事高分子化学与物理、超分子化学、气凝胶设计合成与应用研究。在Progress in Polymer Science, ACS Nano, Macromolecules, ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Macro Letters, Journal of Materials Chemistry A, Polymer Chemistry等期刊上发表论文50余篇，引用1000余次，参与著作编写2部，申请发明专利30项，授权11项，技术转让9项，研究成果多次作为期刊封面亮点推介。主持3项国家自然科学基金项目（包括重大研究计划、面上和青年基金各一项）、中科院科技创新重点部署项目、江苏省自然科学基金、苏州市科技局项目，航天科技项目等10余项，并作为研究骨干参与国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中科院专项、苏州市科技局项目等10余项。