彈性氣凝膠的案例
不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒團(tuán)隊(duì)《AFM》：“雙冰模板”組裝的多功能超彈性納米纖維素氣凝膠
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(lán)、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(qiáng)視覺(jué)對(duì)比）沉積在MTMS-CNF 氣凝膠表面；（b）MTMS-CNF氣凝膠表面不同時(shí)間段的水接觸角照片，以及接觸角隨時(shí)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(duì)不同類(lèi)型的油和有機(jī)溶劑的吸附圖。
圖4. 壓縮條件下超彈性CNF氣凝膠的機(jī)械性能：（a）不同初始濃度的CNF氣凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)；（b）楊氏模量（橙色）和屈服應(yīng)力（藍(lán)色）；（c）0.2% 超彈CNF氣凝膠在40% 最大應(yīng)變下的循環(huán)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)（加載和卸載速率為50 mm/min）；（d）0.2% 超彈 CNF氣凝膠在40%應(yīng)變和能量損失系數(shù)曲線(xiàn)圖（1-50 次循環(huán)）；（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(yōu)異的彈性，從超過(guò) 80% 的應(yīng)變中瞬時(shí)恢復(fù)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(dǎo)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(shí)間曲線(xiàn)（黑色虛線(xiàn)代表室溫；大紅點(diǎn)代表熱板上氣凝膠的表面溫度；大藍(lán)點(diǎn)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(nèi)在加熱板上的紅外圖像。
展開(kāi) ：一種在4 K超低溫條件下具有超彈性的負(fù)泊松比共價(jià)交聯(lián)聚酰亞胺氣凝膠
聚合物彈性材料在超低溫環(huán)境下通常會(huì)失去彈性，表現(xiàn)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(duì)于在低溫環(huán)境下工作的航天器中聚合物彈性材料的使用是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。盡管已經(jīng)報(bào)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(huán)境下表現(xiàn)出良好的彈性，但是相對(duì)于聚合物而言，其制備工藝仍然較為復(fù)雜的，成本也較高。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，復(fù)旦大學(xué)葉明新/沈劍鋒課題組從化學(xué)結(jié)構(gòu)和微觀形貌兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)（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(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)、有序形貌和負(fù)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(xué)結(jié)構(gòu)與形貌設(shè)計(jì)
采用DMSO為溶劑是獲得共價(jià)交聯(lián)結(jié)構(gòu)PI氣凝膠的關(guān)鍵。傳統(tǒng)PI彈性氣凝膠的制備通常采用水溶性聚酰胺酸鹽為前驅(qū)體，再定向冷凍干燥和熱亞胺化工藝得到。該工藝面臨前驅(qū)體在水中降解，氣凝膠的體積收縮率大，以及流程復(fù)雜等問(wèn)題。這項(xiàng)研究工作中提出以DMSO為溶劑，采用化學(xué)亞胺化工藝，以TAB為交聯(lián)劑，在定向冷凍凝膠過(guò)程中，通過(guò)體積排除效應(yīng)實(shí)現(xiàn)原位化學(xué)交聯(lián)（圖2a，b），然后進(jìn)行冷凍干燥獲得具有共價(jià)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的PI彈性氣凝膠（圖2c）。由于DMSO對(duì)多種聚合物具有良好的溶解性，這使得制備定向結(jié)構(gòu)聚合物氣凝膠不再受限于“水溶性”聚合物，可進(jìn)一步拓展到如PVDF、PAN、PA等聚合物，具有一定的普適性。
展開(kāi) 具有可逆可調(diào)熱阻的石墨烯氣凝膠，用于電池?zé)峁芾?/span>
具有低熱阻的碳基材料有利于冷卻電子設(shè)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(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)和隔熱是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。近期，廈門(mén)大學(xué)張學(xué)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(diào)熱阻的彈性石墨烯氣凝膠使其具有隔熱和導(dǎo)熱的雙重功能成為可能。80%壓縮應(yīng)變的石墨烯氣凝膠的熱阻比原始狀態(tài)低3.3倍。在鋰離子電池（LIB）的熱管理過(guò)程中，原始的石墨烯氣凝膠就像一個(gè)熱絕緣體，在環(huán)境溫度較低（-20°C）時(shí)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(dāng)工作溫度較高（40°C）時(shí)，具有低熱阻的壓縮石墨烯氣凝膠充當(dāng)熱界面材料，將 LIB 的過(guò)多熱量散發(fā)出去，防止過(guò)熱。相關(guān)研究成果以“Graphene aerogel with reversibly tunable thermal resistance for battery thermal management”為題發(fā)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(xué)性能
圖3 GA3000用于LIB熱管理的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
圖4 a/b)在冷和熱環(huán)境下工作的LIB熱管理系統(tǒng)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(kāi) 通過(guò)共混紡輔助冷凍鑄造的可定制彈性多功能石墨烯氣凝膠
石墨烯氣凝膠因其獨(dú)特的物理特性而備受關(guān)注，但其較差的機(jī)械特性和功能性的缺乏阻礙了其先進(jìn)應(yīng)用。近期，新加坡國(guó)立大學(xué)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(shí)現(xiàn)機(jī)械強(qiáng)化和功能增強(qiáng)。這種方法為創(chuàng)造可定制的多材料、多尺度結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(yīng)變下1000次循環(huán)）等優(yōu)異性能。同時(shí)，增強(qiáng)的彈性激發(fā)了 SiC/CF-GA 氣凝膠的有效應(yīng)變傳感能力，其靈敏度高達(dá)13.8 kPa
-1。由于加入了碳化硅顆粒，氣凝膠的介電性能可調(diào)，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(guò) BSFC 策略在石墨烯氣凝膠中加入不同的顆粒，從而實(shí)現(xiàn)可定制的設(shè)計(jì)。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(jìn)一步豐富了其實(shí)用性。因此，BSFC 策略為制造改性石墨烯氣凝膠的先進(jìn)功能應(yīng)用提供了定制解決方案。相關(guān)研究成果以“Customizable Resilient Multifunctional Graphene Aerogels via Blend-spinning assisted Freeze Casting”為題發(fā)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(cuò)的 SiC/CF 加固的改性石墨烯片的微觀結(jié)構(gòu)。(d) GA 和 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的 XRD 圖。
展開(kāi) 
兩次凝膠化策略制備構(gòu)型可編輯的高強(qiáng)度氣凝膠
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(zhuǎn)彈性。線(xiàn)圈氣凝膠在1000%的拉伸應(yīng)變下快速回彈，回彈率至少達(dá)到90%，其拉伸比可高達(dá)7000%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于斷裂伸長(zhǎng)率只有25%的線(xiàn)形氣凝膠。
圖5.構(gòu)型可編輯氣凝膠的應(yīng)用。
通過(guò)特定的構(gòu)型設(shè)計(jì)，氣凝膠的隔熱性能可進(jìn)一步提高，同時(shí)將氣凝膠的應(yīng)用從傳統(tǒng)領(lǐng)域擴(kuò)展到可調(diào)節(jié)熱管理器件、刺激響應(yīng)形狀記憶器件等新領(lǐng)域。該研究為構(gòu)型可編輯氣凝膠的設(shè)計(jì)提供了重要見(jiàn)解，有望推動(dòng)具有特殊構(gòu)型高強(qiáng)度多孔材料的發(fā)展。
END
★ 平臺(tái)聲明
部分素材源自網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原作者所有。分享目的僅為行業(yè)信息傳遞與交流，不代表本公眾號(hào)立場(chǎng)和證實(shí)其真實(shí)性與否。如有不適，請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)處理。歡迎參與投稿分享！
展開(kāi) 北化李曉鋒/于中振《AFM》超靈敏壓力/彎曲傳感器雙向冷凍軟而彈性層狀石墨烯氣凝膠的合理設(shè)計(jì)
摘要
為了通過(guò)減弱抗壓強(qiáng)度同時(shí)保持彈性來(lái)提高石墨烯氣凝膠基壓阻傳感器的靈敏度，
北京化工大學(xué)
李曉鋒副教授
/
于中振教授
團(tuán)隊(duì)
通過(guò)雙向冷凍氧化石墨烯的水懸浮液，制備具有高彈性和令人滿(mǎn)意的電導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的輕質(zhì)層狀石墨烯氣凝膠（LGA）。少量有機(jī)溶劑的存在，然后進(jìn)行凍干和熱退火。
由于 LGA 的層狀結(jié)構(gòu)，其沿垂直于層狀表面的方向的壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)低于具有相似表觀密度的各向同性和單向排列的石墨烯氣凝膠的壓縮強(qiáng)度，從而導(dǎo)致基于 LGA 的超靈敏壓阻傳感器具有高-3.69 kPa
-1
的靈敏度和 0.15 Pa 的低檢測(cè)限。
基于 LGA 的壓阻傳感器的超高靈敏度和低檢測(cè)限有助于檢測(cè)室溫和液氮中的細(xì)微壓力，并具有檢測(cè)動(dòng)態(tài)力頻率和聲音的能力振動(dòng)。此外，由于石墨烯薄片之間的連接點(diǎn)較少，LGAs 切片可以集成為一個(gè)寬范圍且靈敏的彎曲傳感器，可以檢測(cè)從 0°到 180°的任意彎曲角度，檢測(cè)限低至 0.29°，并且有效檢測(cè)手腕脈搏和手指彎曲的生物信號(hào)。相關(guān)論文以題為
Rational Design of Soft Yet Elastic Lamellar Graphene Aerogels via Bidirectional Freezing for Ultrasensitive Pressure and Bending Sensors
發(fā)表在《
A
dvanced Functional Materials
》上。
圖解
通過(guò)定向冷凍和凍干形成 LGA
圖1
通過(guò)在水、乙醇或 THF 存在下雙向冷凍 GO 懸浮液，然后冷凍干燥和熱退火來(lái)制造 LGA 的示意圖。
展開(kāi) 北化大于中振教授和張好斌教授團(tuán)隊(duì)ACS AMI： 輕質(zhì)、超彈性多功能MXene/CNT氣凝膠用于高效電磁屏蔽
在航空航天、便攜式和可穿戴智能電子設(shè)備領(lǐng)域中，迫切需要高性能、輕質(zhì)、高導(dǎo)電性和超彈性，甚至耐極端環(huán)境的電磁屏蔽材料，但是它們的研究開(kāi)發(fā)仍然面臨艱巨挑戰(zhàn)。二維過(guò)渡金屬碳/氮化物（MXene）的納米片層結(jié)構(gòu)、出眾的電學(xué)性質(zhì)、極性的表面性質(zhì)使其在制備高效的電磁屏蔽材料方面展現(xiàn)出極大的潛力和競(jìng)爭(zhēng)力。但由于MXene表面的官能團(tuán)種類(lèi)、片層大小以及較弱的納米片層間作用力的限制，難以制備得到兼具高彈性和高導(dǎo)電性的輕質(zhì)可壓縮三維結(jié)構(gòu)。
北京化工大學(xué)于中振教授、張好斌教授團(tuán)隊(duì)展示了一種有效的方法來(lái)提高M(jìn)Xene基氣凝膠的彈性，同時(shí)保持其高導(dǎo)電性和低密度特性?；贛Xene納米片與酸化碳納米管（aCNT）的協(xié)同作用，通過(guò)定向冷凍和后續(xù)冷凍干燥構(gòu)建了具有類(lèi)爬山虎微形貌的MXene/aCNT各向異性氣凝膠。MXene納米片構(gòu)建了各向異性多孔骨架，而aCNTs像爬山虎一樣牢牢地抓住MXene納米片形成的孔壁，不僅提升了MXene基氣凝膠的強(qiáng)度，還實(shí)現(xiàn)了氣凝膠的超輕性和超彈性。同時(shí)，高導(dǎo)電骨架、多孔結(jié)構(gòu)以及MXene和aCNT上豐富的可極化中心賦予了氣凝膠極高的電磁屏蔽性能。此外，定向多孔的全無(wú)機(jī)骨架不僅使得MXene/aCNT各向異性氣凝膠具有良好的隔熱性能，還可以經(jīng)受極端溫度（-196~300℃）環(huán)境而不會(huì)發(fā)生脆斷或融化，仍然保持很好的壓縮回彈性。這些特性使該氣凝膠有望應(yīng)用于熱敏感電子器件的隔熱、緩震、電磁干擾防護(hù)等領(lǐng)域。
本文亮點(diǎn)
1. 受爬山虎植物的啟發(fā)構(gòu)建了一維酸化碳納米管/二維MXene納米片協(xié)同增強(qiáng)的輕質(zhì)、高導(dǎo)電、超彈性的各向異性MXene/酸化碳納米管氣凝膠（MCA）；
2.
展開(kāi) 中南林科大吳獻(xiàn)章/蘭州化物所王金清：超輕GO雜化CNTs氣凝膠增強(qiáng)電子和機(jī)械性，用于壓阻傳感器
（c）超輕量（ρ= 1.52 mg cm
–3
）的K-CNGs氣凝膠站在蒲公英上。
圖
2. GO薄板中的層間錨定Ba
2+
。
圖
3.樣品的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分表征。
（a）TEM和（b）K-CNG的放大TEM圖像。（c）P-CNG和K-CNG的拉曼光譜。（d）K-CNG，（e）GO氣凝膠和（f）P-CNG的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
圖
4.
密度為1.52 mg cm
-3
的各種樣品的機(jī)械性能。
圖
5. K-CNG的電
子
特性。
圖
6.
基于K-CNG的壓阻傳感器的傳感性能。
【總結(jié)】
團(tuán)隊(duì)采用了三重作用設(shè)計(jì)的
SDS，配備了錨定金屬離子，分散碳納米管和誘導(dǎo)自組裝，展示了具有集成特征的超低密度K-CNG，包括高電子電導(dǎo)率（12.55 S cm
–1
），出色機(jī)械性能（楊氏模量高達(dá)18.3 kPa）和遠(yuǎn)程有序分層結(jié)構(gòu)。所有結(jié)果都證明了錨定的Ba
2+
在增強(qiáng)機(jī)械性能和電子傳導(dǎo)性方面均提供了便利，為克服超低密度K-CNGs在彈性和電子傳導(dǎo)性方面長(zhǎng)期存在的困境提供了便捷的途徑。
綜上所述，這些特性使K-CNG可以用作制造壓力傳感器的活性材料，該傳感器具有10 Pa的低檢測(cè)極限，超快的響應(yīng)時(shí)間
（
18 ms）和令人著迷的人體檢測(cè)功能。
團(tuán)隊(duì)
希望
該
制造策略可能會(huì)提供一種制備其他高性能CNG的有效方法，從而開(kāi)創(chuàng)了用于柔性傳感設(shè)備的活性材料的新紀(jì)元。
參考文獻(xiàn)
：
doi.org/10.1021/acsami.1c04080
版權(quán)聲明
：「
高分子材料科學(xué)
」公眾號(hào)旨在分享學(xué)習(xí)交流高分子聚合物材料學(xué)等領(lǐng)域的研究進(jìn)展。
展開(kāi) 氣凝膠相變隱身復(fù)合材料！
中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同研究員領(lǐng)導(dǎo)的氣凝膠團(tuán)隊(duì)制備了一種具有高孔隙率（ 98% ）和高比表面積（ 365.99 m 2 /g ）的柔性氣凝膠薄膜，通過(guò)溶解杜邦 TM 的 Kevlar 獲得納米纖維溶膠，再經(jīng)刮刀涂布、溶膠 - 凝膠及后續(xù)的冷凍干燥過(guò)程獲得 Kevlar 氣凝膠薄膜。該氣凝膠具有優(yōu)異的隔熱性能，室溫環(huán)境下，熱導(dǎo)率約為 0.036 W/m K ， 200μm 厚的氣凝膠薄膜覆蓋在 300°C 的熱源上，氣凝膠表面溫度僅為 220°C ，溫差達(dá)到了 80°C 。 與 相變材料聚乙二醇復(fù)合并進(jìn)行疏水化處理，制備出氣凝膠 / 相變復(fù)合薄膜，該相變復(fù)合薄膜：（ 1 ）相變焓高達(dá) 179.1 J/g ；（ 2 ）紅外發(fā)射率與多數(shù)環(huán)境背景匹配；（ 3 ）在 3μm-15 μm 紅外波段具有超低紅外透過(guò)率。在室外環(huán)境（如光照）下，用該復(fù)合薄膜覆蓋無(wú)發(fā)熱物體，可實(shí)現(xiàn)紅外隱身。對(duì)持續(xù)發(fā)熱物體（比如發(fā)動(dòng)機(jī)），提出了氣凝膠隔熱層與相變復(fù)合薄膜疊加的組合結(jié)構(gòu)： Kevlar 氣凝膠薄膜具有優(yōu)異的隔熱性能，根據(jù)目標(biāo)與環(huán)境之間的溫度差異，選擇合適層數(shù)或者厚度的氣凝膠層，可將溫度降低至與環(huán)境溫度匹配；相變復(fù)合薄膜具有低紅外透過(guò)率，高溫目標(biāo)發(fā)射的紅外光無(wú)法透過(guò)。因而覆蓋這種組合結(jié)構(gòu)的高溫目標(biāo)在紅外照片中也能實(shí)現(xiàn)紅外隱身。
根據(jù)使用場(chǎng)景，選用匹配的氣凝膠 / 相變復(fù)合薄膜，或者組合結(jié)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)紅外隱身，如圖 1 所示。相關(guān)研究成果以 “Nanofibrous Kevlar Aerogel Films and Their Phase Change Composites for Highly Efficient Infrared Stealth” 為題，已在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際期刊《 ACS Nano 》（ ACS Nano 2019,13, 2236 ？
展開(kāi) 一種用于個(gè)人熱管理的氣凝膠纖維織物
新興的氣凝膠纖維/織物繼承了氣凝膠的三維多孔結(jié)構(gòu)和纖維的柔韌性，以其輕質(zhì)、高孔隙率和多集成功能在智能溫控紡織品中顯示出巨大的潛力。高孔隙結(jié)構(gòu)可以使氣凝膠纖維具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)(23-50 mW/mK)，極大地抑制了熱損失。因此，氣凝膠纖維及其復(fù)合織物在個(gè)人熱管理方面顯示出巨大的潛力。
目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種具有不同功能的氣凝膠纖維，與其他有機(jī)或無(wú)機(jī)氣凝膠纖維相比，PI氣凝膠纖維具有良好的耐溫性和優(yōu)異的力學(xué)性能，在大范圍溫度下的熱管理紡織品中顯示出相當(dāng)大的潛力。然而，目前所有策略都需要在紡絲后進(jìn)行后處理，如超臨界干燥或冷凍干燥，以保持氣凝膠纖維的高度多孔結(jié)構(gòu)，這是費(fèi)時(shí)且成本高的。通過(guò)常壓干燥快速制備PI氣凝膠纖維仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
通常，氣凝膠纖維是通過(guò)噴絲管擠出、溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變和超臨界/冷凍干燥工藝制備的。溶膠-凝膠過(guò)程對(duì)于形成典型的三維多孔氣凝膠結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。制備連續(xù)氣凝膠纖維存在溶膠-凝膠過(guò)渡和干燥兩個(gè)主要障礙。高性能氣凝膠纖維的高通量制備面臨以下挑戰(zhàn)：(1)實(shí)現(xiàn)紡絲溶液的快速動(dòng)態(tài)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變；(2)構(gòu)建高強(qiáng)度凝膠骨架并有效避免骨架在干燥過(guò)程中坍塌。
02
成果掠影
近日，江南大學(xué)劉天西和樊瑋團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種快速和可擴(kuò)展的交聯(lián)聚酰亞胺(CPI)氣凝膠纖維的制造策略。該方法是通過(guò)濕紡絲和紫外線(xiàn)增強(qiáng)動(dòng)態(tài)凝膠策略進(jìn)行環(huán)境壓力干燥。該策略使光敏聚酰亞胺的溶膠-凝膠快速轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生強(qiáng)交聯(lián)凝膠骨架，有效地保持纖維形狀和多孔納米結(jié)構(gòu)。該方法可在7 h內(nèi)連續(xù)生產(chǎn)出長(zhǎng)度達(dá)數(shù)百米的高比模量(390.9 kN m/kg)的CPI氣凝膠纖維，比以往的方法(>48 h)效率更高。此外，CPI氣凝膠織物的隔熱性能與羽絨幾乎相同，但厚度約為羽絨的1/8。
展開(kāi) 最輕和最強(qiáng)的材料：石墨烯氣凝膠
，由于其具有出色的導(dǎo)電性能，石墨烯氣凝膠3D打印機(jī)還可以應(yīng)用于制作受損的電生成組織替代物，例如神經(jīng)，骨骼或骨骼和心肌，還可用于3D打印石墨烯電池，更有效的存儲(chǔ)能量。
石墨烯氣凝膠3D打印機(jī)的潛力巨大，而且石墨烯本身已對(duì)許多行業(yè)產(chǎn)生顯著影響。該團(tuán)隊(duì)的鄭曉宇先生表示，工業(yè)設(shè)計(jì)師如今無(wú)需考慮石墨烯片構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)的限制，石墨烯氣凝膠3D打印機(jī)可以達(dá)到極高的制造自由，輕松達(dá)成強(qiáng)度、電導(dǎo)率、質(zhì)量傳遞和重量密度的優(yōu)化，3D打印機(jī)在這個(gè)過(guò)程中扮演者至關(guān)重要的角色。
綜述 \\ 硅基氣凝膠隔熱材料的研究進(jìn)展-1
一方面，這種特殊的納米孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)顯著降低了SA的氣固熱傳導(dǎo)，使純SA的導(dǎo)熱系數(shù)處于0.01~0.03W/(m?K)的顯著低值。但是為了擴(kuò)大SA-TIMs的適用性，需要克服該材料的缺點(diǎn)，如粉塵釋放、耐久性差、體積收縮、加工時(shí)間長(zhǎng)、成本過(guò)高等。幸運(yùn)的是，SA在制備過(guò)程中具有靈活的化學(xué)性質(zhì)和較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性:(1)其形狀、成分、表面官能團(tuán)和孔結(jié)構(gòu)可以精細(xì)定制;(2)任何材料以及不同材料的組合都可以嵌入到SA基體中。一般情況下，在SA基體中加入一些第二相材料(SPMs)，如粉末和纖維，以抑制輻射導(dǎo)熱性，提高機(jī)械強(qiáng)度。到目前為止，SA-TIMs的力學(xué)性能、導(dǎo)熱系數(shù)、表面性質(zhì)以及相關(guān)的生產(chǎn)成本都可以根據(jù)其實(shí)際需求通過(guò)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行有效的定制。
圖2.SA的微觀結(jié)構(gòu)。
1.2 發(fā)展歷史
圖3顯示了SA-TIMs的發(fā)展歷程。1931年，Samuel Stephens Kistler發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)氣凝膠，即SA。Kistler的方法也適用于其它氣凝膠的制備，如氧化鋁、氧化鎢、氧化鐵、氧化錫、酒石酸鎳、纖維素、硝酸纖維素、明膠、瓊脂、橡膠氣凝膠等。然而，這一過(guò)程繁瑣且耗時(shí)，直到1968年S. J. Teichner及其同事重新發(fā)現(xiàn)氣凝膠后，人們才對(duì)氣凝膠領(lǐng)域產(chǎn)生了興趣。他們大大改進(jìn)了工藝，從而產(chǎn)生了以線(xiàn)性鏈為中間體的更具聚合性的濕凝膠，并通過(guò)高溫超臨界干燥獲得了純度更高、制備時(shí)間更短的SA。
1985年，與TMOS衍生SA相比，四乙氧基硅烷(TEOS)衍生SA的合成成本更低，毒性來(lái)源也更少。從那時(shí)起，SA的實(shí)際應(yīng)用，如火箭燃料的儲(chǔ)存和切倫科夫輻射探測(cè)器，逐漸得到發(fā)展，但大多數(shù)提出的應(yīng)用;例如，隔熱窗、隔音屏障、超級(jí)電容器和催化支架在實(shí)際使用中仍未實(shí)現(xiàn)。
展開(kāi) 文獻(xiàn)速覽第4期-隔熱保溫氣凝膠材料
總結(jié)：該文提出了一種混合-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(shí)現(xiàn)機(jī)械強(qiáng)化和功能增強(qiáng)。這種方法為創(chuàng)造可定制的多材料、多尺度結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(yīng)變下1000次循環(huán)）等優(yōu)異性能。同時(shí)，增強(qiáng)的彈性激發(fā)了 SiC/CF-GA 氣凝膠的有效應(yīng)變傳感能力，其靈敏度高達(dá)13.8 k/Pa。
Abstract: Graphene aerogels have gained considerable attention due to their unique physical properties, but their poor mechanical properties and lack of functionality have hindered their advanced applications. In this study, we propose a blend-spinning-assisted freeze-casting (BSFC) strategy to incorporate particle-modified carbon fibers into graphene aerogels for mechanical strengthening and functional enhancement. This method offers a great deal of freedom in the creation of customizable multimaterial, multiscale structural graphene aerogels.
展開(kāi) 一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)隔熱、防火的生物基氣凝膠
03
圖文導(dǎo)讀
圖1.KF氣凝膠復(fù)合材料的制備工藝及多功能性研究。
圖2.(a)未經(jīng)處理的KF; (b) KF氣凝膠;(c) KF- PVA5和(d) KF-PVA5 - BGP10氣凝膠的SEM圖像;(e) KF、KF- PVA5和KF-PVA5 - BGP10氣凝膠的FTIR光譜;(f) BGP和KF-PVA5-BGP10氣凝膠的核磁共振譜;(g) KF和KF-PVA - BGP氣凝膠孔隙度;(h) BGP和KF-PVA5-BGP10氣凝膠的高分辨的N1sXPS光譜;(i) KF和KF-PVA5 - BGP10氣凝膠的高分辨的C1sXPS光譜。
圖3.(a) KF-PVA和(b)KF-PVA-BGP氣凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(c) KF-PVA5-BGP10試樣在1.5 kg載荷下無(wú)變形圖像;(d)不同KF氣凝膠的抗壓強(qiáng)度及KF-PVA-BGP氣凝膠的各種復(fù)雜形狀;(e) KF-PVA-BGP氣凝膠力學(xué)增強(qiáng)機(jī)理示意圖。
圖4.(a) KF和(b)KF-PVA-BGP氣凝膠樣品導(dǎo)熱圖(c) KF和(d)高度為1.6 cm的KF-PVA5-BGP10氣凝膠在200℃下加熱10min后的側(cè)視圖為彩色熱像;KF-PVA5-BGP10在(e) 50?C， (f) 100?C， (g) 150?C和(h) 200?C的熱板上加熱1,5和10分鐘后，高度為1.6 cm的頂部偽彩色熱圖像;(i)熱階段表面與KF-PVA5-BGP10的溫差(ΔT)曲線(xiàn)。
圖5.
展開(kāi) 研究 \\ 一種生物啟發(fā)設(shè)計(jì)制備的保溫仿生氣凝膠
先進(jìn)的隔熱材料，如氣凝膠，是一類(lèi)具有超低導(dǎo)熱性的多孔輕質(zhì)材料。然而，這些具有良好隔熱性能的高多孔材料通常具有較低的機(jī)械強(qiáng)度，并且需要額外的結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行加固。目前，單一功能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法滿(mǎn)足下一代建筑的能源效率。設(shè)計(jì)具有高機(jī)械穩(wěn)健性、高保溫性能和多功能的建筑已引起世界各國(guó)的關(guān)注。
然而，在雙碳背景下，需要大量生產(chǎn)建筑材料來(lái)減少能源浪費(fèi)。因此，如何提高材料效率，以更少的原材料獲得更高的性能，是下一代建筑材料面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。水泥作為世界上應(yīng)用最廣泛的建筑材料，由于其高機(jī)械強(qiáng)度、長(zhǎng)期耐久性和耐高溫性，是這種多功能創(chuàng)新的有希望的候選者?；谏飭l(fā)設(shè)計(jì)和材料效率改進(jìn)的進(jìn)一步優(yōu)化已被采用為實(shí)現(xiàn)令人滿(mǎn)意的性能的有效方法。
02
成果掠影
近期，東南大學(xué)佘偉教授聯(lián)合普渡大學(xué)李恬教授團(tuán)隊(duì)，受堅(jiān)固多孔的墨魚(yú)骨骼的啟發(fā)，通過(guò)在聚合物溶液中自組裝水合鈣鋁硅酸鹽納米顆粒(C-A-S-H，水泥的主要成分)，開(kāi)發(fā)了隔熱保溫的水泥氣凝膠材料。通過(guò)在聚合物溶液中自組裝水泥的主要成分(C-A-S-H納米顆粒)，大大提高了材料效率。該工藝方法避免了水泥原料的煅燒，與普通水泥相比，隱含碳減少了50%以上。所得水泥氣凝膠的質(zhì)量密度僅為0.015 g cm?3。合成的水泥氣凝膠在剛度(315.65 MPa)和韌性(14.68 MJ m?3)方面表現(xiàn)出超高的力學(xué)性能。水泥氣凝膠內(nèi)部具有多尺度孔隙的高孔隙結(jié)構(gòu)極大地抑制了傳熱，從而實(shí)現(xiàn)了超低導(dǎo)熱系數(shù)(0.025 W/(mK))。此外，無(wú)機(jī)C-A-S-H納米顆粒在水泥氣凝膠中形成防火屏障，具有良好的阻燃性（極限氧指數(shù)高達(dá)46.26%，UL94-V0）。
展開(kāi) 