彈性氣凝膠
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-23
彈性氣凝膠的實例教程
MTMS-CNF氣凝膠的疏水和吸油特性：（a）各種有色水溶液（亞甲基藍、醋、咖啡、醬油、重鉻酸鉀和甲基橙）和氯仿（用甲基紅染色以增強視覺對比）沉積在MTMS-CNF 氣凝膠表面；（b）MTMS-CNF氣凝膠表面不同時間段的水接觸角照片，以及接觸角隨時間演變圖；（c）從水底選擇性吸收氯仿（用甲基紅染色）；（d）MTMS-CNF氣凝膠自清潔性能的屏幕截圖，顯示傾角為 20°的水可以清除氣凝膠表面的灰塵；（e）MTMS-CNF 氣凝膠對不同類型的油和有機溶劑的吸附圖。
圖4. 壓縮條件下超彈性CNF氣凝膠的機械性能：（a）不同初始濃度的CNF氣凝膠的應力-應變曲線；（b）楊氏模量（橙色）和屈服應力（藍色）；（c）0.2% 超彈CNF氣凝膠在40% 最大應變下的循環壓縮應力-應變曲線（加載和卸載速率為50 mm/min）；（d）0.2% 超彈 CNF氣凝膠在40%應變和能量損失系數曲線圖（1-50 次循環）；（e）超彈性氣凝膠在200 g重量下的壓縮-回彈照片；（f）0.2% CNF 氣凝膠浸入液氮中具有優異的彈性，從超過 80% 的應變中瞬時恢復形狀。
圖5. 超彈CNF氣凝膠的熱性能：（a）不同CNF初始濃度下氣凝膠的熱導率；0.2% CNF氣凝膠（高度：8 mm）在（b）加熱板上和（c）冰上的溫度-時間曲線（黑色虛線代表室溫；大紅點代表熱板上氣凝膠的表面溫度；大藍點代表冰上氣凝膠的表面溫度；橙色三角形代表熱板或冰的溫度）；（d）0.2% CNF 氣凝膠（高度：19 mm）在150 分鐘內在加熱板上的紅外圖像。
展開 聚合物彈性材料在超低溫環境下通常會失去彈性，表現出明顯的低溫脆性。然而，太空中的平均溫度只有2~3 K，這對于在低溫環境下工作的航天器中聚合物彈性材料的使用是一個巨大的挑戰。盡管已經報道的石墨烯氣凝膠、氮化硼氣凝膠、二氧化硅納米纖維氣凝膠等在超低溫環境下表現出良好的彈性，但是相對于聚合物而言，其制備工藝仍然較為復雜的，成本也較高。
針對這一挑戰，復旦大學葉明新/沈劍鋒課題組從化學結構和微觀形貌兩方面進行設計（圖1），提出了DMSO冰晶輔助的定向冷凍凝膠和冷凍干燥工藝（DMSO-FGFD），制備了一種具有化學交聯結構、有序形貌和負泊松比的超彈性聚酰亞胺（PI）氣凝膠。
圖1：超彈性PI氣凝膠的化學結構與形貌設計
采用DMSO為溶劑是獲得共價交聯結構PI氣凝膠的關鍵。傳統PI彈性氣凝膠的制備通常采用水溶性聚酰胺酸鹽為前驅體，再定向冷凍干燥和熱亞胺化工藝得到。該工藝面臨前驅體在水中降解，氣凝膠的體積收縮率大，以及流程復雜等問題。這項研究工作中提出以DMSO為溶劑，采用化學亞胺化工藝，以TAB為交聯劑，在定向冷凍凝膠過程中，通過體積排除效應實現原位化學交聯（圖2a，b），然后進行冷凍干燥獲得具有共價交聯結構的PI彈性氣凝膠（圖2c）。由于DMSO對多種聚合物具有良好的溶解性，這使得制備定向結構聚合物氣凝膠不再受限于“水溶性”聚合物，可進一步拓展到如PVDF、PAN、PA等聚合物，具有一定的普適性。
展開 具有低熱阻的碳基材料有利于冷卻電子設備，而具有高熱阻的氣凝膠則起到隔熱作用。然而，使用相同的材料實現熱傳導和隔熱是一項重大挑戰。近期，廈門大學張學驁教授、蔡偉偉教授、張宇鋒副教授研究采用溶劑熱法合成了石墨烯氣凝膠，高溫退火降低了石墨烯氣凝膠的熱阻。具有可調熱阻的彈性石墨烯氣凝膠使其具有隔熱和導熱的雙重功能成為可能。80%壓縮應變的石墨烯氣凝膠的熱阻比原始狀態低3.3倍。在鋰離子電池（LIB）的熱管理過程中，原始的石墨烯氣凝膠就像一個熱絕緣體，在環境溫度較低（-20°C）時防止LIB的熱量損失，從而使溫度提高9°C，并使LIB的放電容量提高26%。相反，當工作溫度較高（40°C）時，具有低熱阻的壓縮石墨烯氣凝膠充當熱界面材料，將 LIB 的過多熱量散發出去，防止過熱。相關研究成果以“Graphene aerogel with reversibly tunable thermal resistance for battery thermal management”為題發表于《J. Mater. Chem. A》。
圖1 GA和GA3000的熱性能及表征
圖2 GA3000的熱性能和力學性能
圖3 GA3000用于LIB熱管理的結構基礎
圖4 a/b)在冷和熱環境下工作的LIB熱管理系統示意圖。（c-g）基于COMSOL模擬的lib在-20℃和40℃下表面溫度的比較，f) LIBs與ga3000接觸界面示意圖。
展開 石墨烯氣凝膠因其獨特的物理特性而備受關注，但其較差的機械特性和功能性的缺乏阻礙了其先進應用。近期，新加坡國立大學Yong Yang、Wei Zhai等研究人員提出了一種混合-紡絲輔助冷凍鑄造（BSFC）策略，將顆粒改性碳纖維加入石墨烯氣凝膠中，以實現機械強化和功能增強。這種方法為創造可定制的多材料、多尺度結構石墨烯氣凝膠提供了極大的自由度。例如，我們制造了碳化硅顆粒改性碳纖維增強石墨烯（SiC/CF-GA）氣凝膠。所制備的氣凝膠具有超輕、高彈性、抗疲勞壓縮（50%應變下1000次循環）等優異性能。同時，增強的彈性激發了 SiC/CF-GA 氣凝膠的有效應變傳感能力，其靈敏度高達13.8 kPa
-1。由于加入了碳化硅顆粒，氣凝膠的介電性能可調，因此具有寬帶（8.0 GHz）有效電磁波衰減性能。此外，還可以通過 BSFC 策略在石墨烯氣凝膠中加入不同的顆粒，從而實現可定制的設計。此外，改性氣凝膠還具有多功能性，包括吸音、隔熱、防火和防水，進一步豐富了其實用性。因此，BSFC 策略為制造改性石墨烯氣凝膠的先進功能應用提供了定制解決方案。相關研究成果以“Customizable Resilient Multifunctional Graphene Aerogels via Blend-spinning assisted Freeze Casting”為題發表于《ACS Nano》。
圖1. (a) 混合-紡絲輔助冷凍鑄造 (BSFC) 策略示意圖。(b) TEM 圖像顯示嵌入纖維并被皺褶石墨烯片包裹的碳化硅顆粒。(c) 由交錯的 SiC/CF 加固的改性石墨烯片的微觀結構。(d) GA 和 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的 XRD 圖。
展開 例如，彈簧氣凝膠可以自由變形，具有良好的拉伸、彎曲和扭轉彈性。線圈氣凝膠在1000%的拉伸應變下快速回彈，回彈率至少達到90%，其拉伸比可高達7000%，遠遠優于斷裂伸長率只有25%的線形氣凝膠。
圖5.構型可編輯氣凝膠的應用。
通過特定的構型設計，氣凝膠的隔熱性能可進一步提高，同時將氣凝膠的應用從傳統領域擴展到可調節熱管理器件、刺激響應形狀記憶器件等新領域。該研究為構型可編輯氣凝膠的設計提供了重要見解，有望推動具有特殊構型高強度多孔材料的發展。
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彈性氣凝膠的最新內容
來源 | Small
作者 | 苗沐霖博士
香港城市大學呂堅院士團隊最新發表在Small期刊上的題目為 “3D-Printed Mullite-Reinforced SiC-Based Aerogel Composites” 的文章，制備出了具有優異力學性能且可以實現精確熱管理功能的碳化硅氣凝膠復合材料。具有這種結構的氣凝膠復合材料可用于汽車電池或精密器件
來源 | Composites Part A
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背景介紹
隨著航空技術的進步，高超音速飛行器在軍事應用中不斷發展。飛機的部件在超高速飛行過程中會受到高溫的影響。同時，隱形技術對于避免被敵方雷達探測至關重要。因此，開發具有電磁波衰減和隔熱能力的多功能材料對科學家和工程師具有重要意義。氣凝膠是一種多孔材料，由具有空氣-氣相的微孔固體組成。獨特的互連網絡結構具有密度低
許多特殊設計的結構，如細胞和層狀結構，可以賦予多孔材料高壓縮性和彈性。然而，氣凝膠和泡沫的高度多孔結構通常在拉伸時容易破裂。實現高度可拉伸的氣凝膠和泡沫是一個巨大的挑戰。
來源 | Nature Communications
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背景介紹
近年來，具有個人熱管理功能的智能溫控紡織品引起了人們的極大關注，它可以在各種環境溫度下為穿著者提供先進的熱舒適功能，從而最大限度地減少能源消耗。如航空航天和消防現場，需要輕質超薄的面料來保證穿著者的工作效率和安全。新興的氣凝膠纖維/織物繼承了氣凝膠的三維多孔結構和纖維的柔韌性，以其輕質
來源 | ACS Applied Materials & Interface
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背景介紹
由于氣凝膠在航空航天工業、軍事行動和靠近火源等惡劣環境領域的應用潛力，其高溫熱防護受到了研究人員的廣泛關注。特別是，聚酰亞胺、酚醛、芳綸等有機氣凝膠由于其低密度而非常有利，其中具有高炭產率的酚醛樹脂氣凝膠(PRA)作為一種有能力的燒蝕劑很受歡迎，為了在高機械應力和高熱載荷條件下獲得更好的力學性能
來源 | 中科潤資公眾號
近日，中科潤資通過前驅體金屬氧化物注入、控制濕凝膠介孔成型， 并調整纖維載體成分和直徑比例分布，優化惰性氣體置換條件等技術措施，成功將硅系纖維氣凝膠復合材料在高溫段（500℃）的導熱系數降低至0.044w/m·k（穩態熱防護板法 GB/T 10294-2008，ASTM C177-19），并滿足在1300℃時長效穩定絕熱，達到世界領先水平
例如，彈簧氣凝膠可以自由變形，具有良好的拉伸、彎曲和扭轉彈性。線圈氣凝膠在1000%的拉伸應變下快速回彈，回彈率至少達到90%，其拉伸比可高達7000%，遠遠優于斷裂伸長率只有25%的線形氣凝膠。
圖5.構型可編輯氣凝膠的應用。
通過特定的構型設計，氣凝膠的隔熱性能可進一步提高，同時將氣凝膠的應用從傳統領域擴展到可調節熱管理器件、刺激響應形狀記憶器件等新領域。
來源 | ACS Nano
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背景介紹
在日常生活中，保持體溫對人類的生存至關重要，特別是對于長時間暴露在寒冷和多風環境中的人，如高海拔地區的士兵和工人。如纖維、金屬、氣凝膠、泡沫等各種先進材料已被用于保溫，防止人體的熱量損失。特別是氣凝膠，其熱導率低至15 mW/mK，表現出優越的保溫能力。這種優異的性能可歸因于高孔隙率(>90%)、相互連接的多孔納米結構和孔徑低于氣體分子的平均自由程
來源 | Composite: Part A
摘要：為了解決日益嚴重的電磁污染問題，對具有低密度、高機械強度和有效屏蔽能力的高性能電磁干擾(EMI)屏蔽材料的需求是至關重要的。三維氣凝膠由二維過渡金屬碳化物和/或氮化物(MXenes)或石墨烯納米片構成，在電磁干擾屏蔽方面表現出巨大的潛力。這些材料的特點是重量輕，機械性能優異，導電性好，比表面積大，具有仿生排列多孔結構的附加優勢
來源 | Advanced Materials
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背景介紹
纖維是一種豐富多樣的材料，天然纖維如頭發、羊毛和棉花可以追溯到古代，而合成纖維如聚酯、尼龍和丙烯酸纖維現在被廣泛使用。其優異的可編織性和可加工性使其適用于智能傳感，電磁屏蔽，生物抗菌劑和隔熱領域。具有新穎結構和功能的現代纖維(如中空纖維，微纖維，和羽絨纖維)由于其高表面積和高纖維間/纖維內的空氣保持性而成為保暖織物的首選
