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蘇州納米所輕量化實驗室王錦合作《AM》:超彈納米纖維氣凝膠構筑“熱開關”助力熱量可控釋放

氣凝膠具有優異的隔熱保溫性能,被廣泛應用于航空航天、交通運輸與建筑節能等領域。然而氣凝膠通常只能被動地隔熱,即單一地減緩能量從高溫的一側傳導至低溫的一側。但如果熱量過載,需要將過剩的熱量快速耗散,此時氣凝膠的存在反而極大地阻礙了熱量耗散。因此,如何實現“熱量”的掌控,像蓄電池一樣實現可控的儲存和釋放,是一個有待解決的問題。

為此,蘇州納米所輕量化實驗室王錦與東南大學孫正明/張培根團隊合作,提出超彈"氣凝膠溫度開關"的概念,即氣凝膠自然狀態下具有優異的隔熱性能,處于熱傳導“關”的狀態;在外力大形變的作用下,熱導率的增加與厚度的急劇降低,實現熱傳導“開”的狀態。為了實現熱開關的可逆“開”與“關”,另一需要解決的問題即為超彈氣凝膠的構筑,同時具有極低的熱導率和可靠的抗疲勞性。為此,利用緩慢質子釋放策略(SPRG)結合熱誘導交聯(TIC)的方法制備了超輕超彈的Kevlar納米纖維氣凝膠(HEKA)并成功實現了熱開關的應用(圖1)。

   1. 超輕HEKASPRG-TIC制備原理圖及其作為熱開關的應用

SPRG-TIC方法所制備的凝膠均一,無裂紋,經干燥后密度僅為4.7 mg/cm3,在高分子氣凝膠中處于較低水平?;A表征中發現HEKA的基本結構得以保留(圖2),并維持了高比表面積和結構穩定性。

   2.(a) DMSO/KOH脫質子的Kevlar TEM圖像; (b)緩慢凝膠后的凝膠圖像; (c)凝膠時間與去離子水含量的關系;(d)凝膠時間與EA含量的關系;(e)站在單根花蕊上的HEKA的圖像; (f) HEKA與其他類型聚合氣凝膠的密度比較; (g) KA、KA- EHEKA的氮吸附-脫附等溫線(插圖為其孔徑);(h) x射線衍射模式; (i) KA, KA- EHEKA的拉曼光譜

XPS,FTIR等表征中證明了TIC過程中納米纖維發生了交聯,熱分析表明經過SPRG-TIC 方法后HEKA的熱穩定性不會發生改變,對HEKA在高溫下的應用至關重要,SEM中發現交聯后的纖維形成了彎弓型結構,這有助于力學性能的提升,最后給出了交聯結構形成的可能原因(圖3)。由于納米纖維之間的交聯產生的大量弓型結構使得HEKA表現出優異的壓縮回彈性,500次壓縮后永久形變僅為8.2%,此外在超低溫(-196 ℃)下依舊保持著良好的回彈性。

3. (a)KA-EHEKAC 1sXPS;(b) KAFT-IR光譜KA-E HEKA;(c) KA、KA- eHEKATGADTA曲線;掃描電鏡圖像(d1)-(d2) KA-E, (d3)-(d4) HEKA;KA-E;(e) (f)納米纖維的直徑分布;(g) 提出HEKA網絡結構

進一步驗證了HEKA的隔熱保溫能力,HEKA上的花瓣在350℃的加熱臺上15min后僅發生輕微的脫水和萎焉,而在其他耐高溫材料上則迅速枯萎碳化。與普通的高分子保溫泡沫材料相比,其具有更優的隔熱性能和更高的耐溫性能,不僅如此,在超低溫下的保溫能力也優于棉,PU氣凝膠等傳統保溫材料,這體現出HEKA良好的保溫隔熱能力(圖4)。

   保溫隔熱能力 

由于HEKA的超彈性帶來的可變熱導率,因此我們提出了氣凝膠熱開關的概念并通過COMSOL理論模擬和實際實驗驗證了其開關性能。在壓縮過程中HEKA的熱導率隨著壓縮程度增大而增大,此外熱傳導的距離急劇減低,因此我們模擬了HEKA壓縮過程的溫度變化,并給出了溫度分布,最后基于模擬環境我們通過實驗驗證了所提出的HEKA熱開關,并進一步通過實驗驗證了該開關比為7.5,響應速度快(0.73℃ s-1),熱流密度高(2044 J m-2 s-1),并具有優異的耐疲勞性能,與當前傳統材料相比,其具有輕質且開關比可調的優點。

 5 (a)氣凝膠熱開關示意圖; (b) HEKA-2不同壓縮程度下的熱導率;(c) HEKA-2表面模擬結果各種壓應變下的溫度;(d) HEKA-2溫度輪廓圖像模擬結果;(e)溫度響應性;(f) HEKA-2在各種壓縮壓力的時間溫度曲線圖; (g) /關比—密度比較;(h)熱開關的循環使用能力

本研究開發的方法為實現多孔氣凝膠的超彈性提供了一條途徑,并為熱量的保持和耗散提供了一種快速、便捷的策略,此外該工作對氣凝膠在智能傳感,可控熱防護的應用提供了新思路。相關工作以“Hyperelastic Kevlar Nanofiber Aerogels as Robust Thermal Switches for Smart Thermal Management”為題發表在《Advanced Materials》上。論文第一作者為東南大學與蘇州納米所聯合培養博士生胡沛英,通訊作者為蘇州納米所輕量化實驗室王錦項目研究員和東南大學材料科學與工程學院孫正明教授、張培根副教授。該論文獲得了國家自然科學基金重大研究計劃培育項目和蘇州市科技局基礎研究試點項目資助。


原文鏈接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202207638

 


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