冷凍鑄造
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
冷凍鑄造的實例教程
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。(e) GA 和 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的拉曼光譜。SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠 (f) 縱向和 (g) 橫向的 SEM 圖像。
展開 該團隊采用單向冷凍鑄造技術制備了各向異性氮化硼納米片(BNNs)/聚乙烯醇復合氣凝膠。與傳統SiO2或Al2O3基氣凝膠中相互連接的各向同性納米顆粒形成的開孔結構不同，二維BNNS可以將氣凝膠分隔成獨立的細胞，有效減少空氣傳導和對流，從而實現超低導熱。得益于BNNs排列的多孔結構，具有最佳BNNS含量的復合氣凝膠在具有20.3 W/mK的超低導熱系數。此外，BNNS還具有高的折射率，遠高于傳統的SiO2(~1.47)和Al2O3(~1.77)納米粒子。BNNS的折射率與聚合物基體(~1.5)的折射率大不相同，這使得入射光在BNNS/基體界面處有效散射，從而獲得高太陽反射率。該復合氣凝膠在整個太陽光波長上具有95.0%的反射率，在大氣透明窗口內具有93%以上的高發射率。這些理想的特性使它們成為建筑物被動熱管理和熱防護罩以及其他需要高太陽輻照度保護的應用的有希望的材料。研究成果以“Anisotropic thermally superinsulating boron nitride composite aerogel for building thermal management ”為題發表于《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》。
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圖文導讀
表1.不同BNNs/PVA復合氣凝膠的PVA含量和物理性能。
圖1.BNNS/PVA復合氣凝膠的制備及微觀形貌研究。
圖2.BNNs的形態和化學組成。
圖3.BNNS/PVA氣凝膠的微觀結構。
圖4.復合氣凝膠的力學性能。
展開 制備取向復合材料的傳統方法，如化學氣相沉積、磁場或電場、冷凍鑄造和真空過濾等，通常效率低下。此外，填料互連性低和三維導熱網絡的結構缺陷嚴重限制了復合材料導熱性能的提高。因此，有必要探索高效的成型方法來制備具有高導熱性的BN/UHMWPE復合材料。
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成果掠影
近期，華南理工大學機械與汽車工程學院高分子材料先進制造技術與裝備研究所馮彥洪教授在制備具有取向性的導熱材料取得新進展。本研究采用偏心轉子固體擠出機，在低于UHMWPE基體熔化溫度125℃的溫度下，建立定向偏析三維導熱網絡，制備了BN/UHMWPE取向高導熱復合材料。制備的復合材料具有高取向性(取向因子0.826)、高導熱性(6.25 W/mK)、優異的電絕緣性和熱穩定性，以及在29.2 vol% BN負載下的優異成本效益，對電子封裝應用具有吸引力。此外，我們提出了蜂窩導熱模型，可以精確計算取向偏析復合材料的理論導熱系數。本研究通過粉末固態擠壓構建定向三維導熱網絡，為制備高導熱聚合物基熱界面材料(TIMs)提供了一種具有前瞻性和可靠性的策略。研究成果以“Efficient preparation of BN/UHMWPE composites with oriented thermal conductivity by powder solid-state extrusion ”為題發表于《Composites Part A》。
03
圖文導讀
圖1.復合材料的制備方法。
展開 目前，制造垂直取向的主流方法是冷凍鑄造和在填料表面植入磁性納米顆粒后進行垂直磁感應。最近，文獻報道了一種新的堆焊方法，具有操作簡單的優點，可以以類似于“放置積木”的方式有效地構建所需的微觀結構。得益于這種簡單的方法，一些有效的平行定向技術已開始用于制造片狀填料的垂直排列，如雙輥剪切和帶式鑄造。在所有的取向技術中，熱壓工藝是操作最簡單，應用最廣泛，成型規模最大，尤其是取向效果最好的。但是，這種定向技術尚未報道用于建造垂直排列結構。
為了利用BN中高效的面內熱傳導，實現TIMs的高面外導熱系數，BN填充材料中的熱壓工藝和堆疊焊接方法的合作對于垂直排列的納米模擬結構可能是可行的。堆焊過程中，對熱壓薄膜的性能要求是具有較高的可焊性和高溫下的形狀穩定性。然而，熱壓薄膜同時具有這兩種特性是具有挑戰性的。將動態共價鍵集成到化學交聯網絡中以制造聚合物基體，提供了一種在高溫下苛刻的可焊性和形狀穩定性之間取得平衡的方法。
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成果掠影
近期，北京化工大學先進彈性體中心盧詠來教授和李京超老師在TIMs的設計和制備取得了一種新的進展。該團隊報告了一種結合熱壓取向和堆焊工藝的新方法，該方法基于動態硼酸酯鍵交聯的聚丁二烯(BR)橡膠基體，并通過熱壓法實現了BN的高度取向。由于動態交聯BR的重排機制及其優異的可再加工性，成功完成了后續的焊接工藝，制備出高垂直排列的BN/BR復合材料（VAC）。實驗結果表明通過掃描電鏡和小角度X射線驗證了所設計的VAC具有強取向的微觀結構。結果，當BN含量為52 vol %時，VAC達到了前所未有的面外導熱系數(14.1 W/mK)，并且與商業TIM相比，芯片運行溫度大大降低。除了優異的導熱性外，BN/BR復合材料還具有優異的電絕緣性和阻燃性。
展開 總結：該文采用單向冷凍鑄造技術制備了各向異性氮化硼納米片(BNNs)/聚乙烯醇復合氣凝膠。與傳統氧化硅或氧化鋁基氣凝膠中相互連接的各向同性納米顆粒形成的開孔結構不同，二維BNNS可以將氣凝膠分隔成獨立的細胞，有效減少空氣傳導和對流，從而實現超低導熱。得益于BNNs排列的多孔結構，具有最佳BNNS含量的復合氣凝膠在具有20.3 mW/mK的超低導熱系數。
Abstract: Thermally insulating materials are commonly used to reduce energy consumption in buildings. Most commercial products possess only low thermal conductivities but poor insulating capabilities in the daytime with little sunlight reflectance and thermal emittance. It is challenging to achieve all traits in the same material. Herein, anisotropic boron nitride nanosheet (BNNS)/polyvinyl alcohol composite aerogels are developed using the unidirectional freeze-casting technique.
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Zeng等人使用1D纖維素納米纖維(CNFs)通過冰模板冷凍鑄造技術幫助制造超低密度MXene氣凝膠(圖4a, b)。在縱向平面上，可以清晰地看到間距為20 μm的定向細胞壁和單向孔道(圖4c)；MXene/CNF混合氣凝膠的結構在橫向上趨向于各向同性(圖4d)。作者調整了細胞壁方向，使有取向的細胞壁與入射emw的電場方向形成不同的角度(圖4e, f)。
總結：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。
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。
Yao等人利用冷凍鑄造方法實現了垂直排列和互連的SiC納米線網絡，該網絡為傳熱提供了通道，并在低填充率為2.17 vol %的情況下實現了1.67 W/mK的高通平面導熱系數(圖6a-c)。
圖6.碳化物填充復合材料。
目前，制造垂直取向的主流方法是冷凍鑄造和在填料表面植入磁性納米顆粒后進行垂直磁感應。最近，文獻報道了一種新的堆焊方法，具有操作簡單的優點，可以以類似于“放置積木”的方式有效地構建所需的微觀結構。得益于這種簡單的方法，一些有效的平行定向技術已開始用于制造片狀填料的垂直排列，如雙輥剪切和帶式鑄造。在所有的取向技術中，熱壓工藝是操作最簡單，應用最廣泛，成型規模最大，尤其是取向效果最好的。
制備取向復合材料的傳統方法，如化學氣相沉積、磁場或電場、冷凍鑄造和真空過濾等，通常效率低下。此外，填料互連性低和三維導熱網絡的結構缺陷嚴重限制了復合材料導熱性能的提高。因此，有必要探索高效的成型方法來制備具有高導熱性的BN/UHMWPE復合材料。
通過冷凍鑄造或水熱還原氧化石墨烯懸浮液也可以形成類似的結構。作為獨立結構，石墨烯泡沫和石墨烯/碳納米管氣凝膠已被證明可用于TIM應用，壓縮石墨烯泡沫的導熱系數約為88 W/(mK)(圖12)，并且在非常低的壓力下具有低熱界面阻力[179]。使用h-BN也證明了類似的結構，壓縮h-BN泡沫的平面導熱系數高達62 W/(mK)。石墨烯和h-BN泡沫都可以滲透形成聚合物復合材料。
該團隊采用單向冷凍鑄造技術制備了各向異性氮化硼納米片(BNNs)/聚乙烯醇復合氣凝膠。與傳統SiO2或Al2O3基氣凝膠中相互連接的各向同性納米顆粒形成的開孔結構不同，二維BNNS可以將氣凝膠分隔成獨立的細胞，有效減少空氣傳導和對流，從而實現超低導熱。得益于BNNs排列的多孔結構，具有最佳BNNS含量的復合氣凝膠在具有20.3 W/mK的超低導熱系數。
在冷凍鑄造過程中冰形成和定向生長時，產生了具有高強度重量比的垂直通道，確保了材料的超壓縮性（
~90%
應變）和
3.8 mg cm
?
3
的低密度。
