冷凍鑄造的案例
通過共混紡輔助冷凍鑄造的可定制彈性多功能石墨烯氣凝膠
近期，新加坡國立大學(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 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。(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 研究 \\ 冷凍鑄造技術(shù)定向制備氮化硼復(fù)合隔熱氣凝膠材料
該團(tuán)隊(duì)采用單向冷凍鑄造技術(shù)制備了各向異性氮化硼納米片(BNNs)/聚乙烯醇復(fù)合氣凝膠。與傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)不同，二維BNNS可以將氣凝膠分隔成獨(dú)立的細(xì)胞，有效減少空氣傳導(dǎo)和對流，從而實(shí)現(xiàn)超低導(dǎo)熱。得益于BNNs排列的多孔結(jié)構(gòu)，具有最佳BNNS含量的復(fù)合氣凝膠在具有20.3 W/mK的超低導(dǎo)熱系數(shù)。此外，BNNS還具有高的折射率，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)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(fù)合氣凝膠在整個(gè)太陽光波長上具有95.0%的反射率，在大氣透明窗口內(nèi)具有93%以上的高發(fā)射率。這些理想的特性使它們成為建筑物被動(dòng)熱管理和熱防護(hù)罩以及其他需要高太陽輻照度保護(hù)的應(yīng)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(fā)表于《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》。
03
圖文導(dǎo)讀
表1.不同BNNs/PVA復(fù)合氣凝膠的PVA含量和物理性能。
圖1.BNNS/PVA復(fù)合氣凝膠的制備及微觀形貌研究。
圖2.BNNs的形態(tài)和化學(xué)組成。
圖3.BNNS/PVA氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。
圖4.復(fù)合氣凝膠的力學(xué)性能。
展開 一種具有取向的BN/UHMWPE導(dǎo)熱復(fù)合材料
制備取向復(fù)合材料的傳統(tǒng)方法，如化學(xué)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(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)缺陷嚴(yán)重限制了復(fù)合材料導(dǎo)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(dǎo)熱性的BN/UHMWPE復(fù)合材料。
02
成果掠影
近期，華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院高分子材料先進(jìn)制造技術(shù)與裝備研究所馮彥洪教授在制備具有取向性的導(dǎo)熱材料取得新進(jìn)展。本研究采用偏心轉(zhuǎn)子固體擠出機(jī)，在低于UHMWPE基體熔化溫度125℃的溫度下，建立定向偏析三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，制備了BN/UHMWPE取向高導(dǎo)熱復(fù)合材料。制備的復(fù)合材料具有高取向性(取向因子0.826)、高導(dǎo)熱性(6.25 W/mK)、優(yōu)異的電絕緣性和熱穩(wěn)定性，以及在29.2 vol% BN負(fù)載下的優(yōu)異成本效益，對電子封裝應(yīng)用具有吸引力。此外，我們提出了蜂窩導(dǎo)熱模型，可以精確計(jì)算取向偏析復(fù)合材料的理論導(dǎo)熱系數(shù)。本研究通過粉末固態(tài)擠壓構(gòu)建定向三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，為制備高導(dǎo)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(fā)表于《Composites Part A》。
03
圖文導(dǎo)讀
圖1.復(fù)合材料的制備方法。
展開 研究 \\ 氮化硼高度垂直排列取向的橡膠基高性能導(dǎo)熱復(fù)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(jìn)行垂直磁感應(yīng)。最近，文獻(xiàn)報(bào)道了一種新的堆焊方法，具有操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，可以以類似于“放置積木”的方式有效地構(gòu)建所需的微觀結(jié)構(gòu)。得益于這種簡單的方法，一些有效的平行定向技術(shù)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(shù)中，熱壓工藝是操作最簡單，應(yīng)用最廣泛，成型規(guī)模最大，尤其是取向效果最好的。但是，這種定向技術(shù)尚未報(bào)道用于建造垂直排列結(jié)構(gòu)。
為了利用BN中高效的面內(nèi)熱傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)TIMs的高面外導(dǎo)熱系數(shù)，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(jié)構(gòu)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(wěn)定性。然而，熱壓薄膜同時(shí)具有這兩種特性是具有挑戰(zhàn)性的。將動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵集成到化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(wěn)定性之間取得平衡的方法。
02
成果掠影
近期，北京化工大學(xué)先進(jìn)彈性體中心盧詠來教授和李京超老師在TIMs的設(shè)計(jì)和制備取得了一種新的進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種結(jié)合熱壓取向和堆焊工藝的新方法，該方法基于動(dòng)態(tài)硼酸酯鍵交聯(lián)的聚丁二烯(BR)橡膠基體，并通過熱壓法實(shí)現(xiàn)了BN的高度取向。由于動(dòng)態(tài)交聯(lián)BR的重排機(jī)制及其優(yōu)異的可再加工性，成功完成了后續(xù)的焊接工藝，制備出高垂直排列的BN/BR復(fù)合材料（VAC）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過掃描電鏡和小角度X射線驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的VAC具有強(qiáng)取向的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果，當(dāng)BN含量為52 vol %時(shí)，VAC達(dá)到了前所未有的面外導(dǎo)熱系數(shù)(14.1 W/mK)，并且與商業(yè)TIM相比，芯片運(yùn)行溫度大大降低。除了優(yōu)異的導(dǎo)熱性外，BN/BR復(fù)合材料還具有優(yōu)異的電絕緣性和阻燃性。
展開 
文獻(xiàn)速覽第4期-隔熱保溫氣凝膠材料
總結(jié)：該文采用單向冷凍鑄造技術(shù)制備了各向異性氮化硼納米片(BNNs)/聚乙烯醇復(fù)合氣凝膠。與傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)不同，二維BNNS可以將氣凝膠分隔成獨(dú)立的細(xì)胞，有效減少空氣傳導(dǎo)和對流，從而實(shí)現(xiàn)超低導(dǎo)熱。得益于BNNs排列的多孔結(jié)構(gòu)，具有最佳BNNS含量的復(fù)合氣凝膠在具有20.3 mW/mK的超低導(dǎo)熱系數(shù)。
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.
展開 津科大劉葦/倪永浩院士綜述:高性能木質(zhì)纖維素衍生的水凝膠/氣凝膠基柔性準(zhǔn)固態(tài)超級電容器
圖
15a
顯示了通過直接冷凍澆鑄方法制備的木質(zhì)部樣結(jié)構(gòu)。在冷凍鑄造過程中冰形成和定向生長時(shí)，產(chǎn)生了具有高強(qiáng)度重量比的垂直通道，確保了材料的超壓縮性（
~90%
應(yīng)變）和
3.8 mg cm
?
3
的低密度。
NH
4
H
2
PO
4
可以分解成
NH
3
，
H
3
PO
4
分別作為
N
和
P
的來源，同時(shí)也作為活化劑在這些垂直通道中產(chǎn)生豐富的介孔。
圖15
(a)木質(zhì)部樣CA和雙重活化的合成路線示意圖。(b) 木材衍生的 CNF 氣凝膠制備示意圖。(c) 不同溫度下合成的 CAs 的微觀結(jié)構(gòu)和 (d) 3D 微觀結(jié)構(gòu)示意圖。(e) 球形顆粒生產(chǎn)過程示意圖。
木質(zhì)纖維素-碳二元復(fù)合氣凝膠
碳材料包括活性炭（AC）、石墨烯和氧化石墨烯（GO）/還原氧化石墨烯（RGO），以及碳納米管（CNTs）由于其物理、電化學(xué)和 環(huán)境優(yōu)勢。木質(zhì)纖維素-CAs 的復(fù)合材料可以利用木質(zhì)纖維素和碳納米材料的優(yōu)點(diǎn)。Z
heng
等人。使用 CNFs/RGO/CNT 混合氣凝膠作為電極制造 FSSC，圖 16a 表現(xiàn)出良好的比電容、能量密度和功率密度
圖 16
(a) CNF/RGO/CNT 電極的制造過程示意圖。(b) 木質(zhì)素對 GO 的還原機(jī)制和 LRGO 的聚集-分散行為的示意圖。(c) NCGA 合成示意圖。(d) NSHPA 的示意圖制造過程。(e) BN-MC/MnO
2
形成的示意圖。
木質(zhì)纖維素導(dǎo)電聚合物二元復(fù)合氣凝膠
碳基凝膠電極的低理論電容限制了 SCs 的比電容。
展開 綜述熱管理材料—石墨烯
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(jié)構(gòu)。作為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，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(yīng)用，壓縮石墨烯泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)構(gòu)，壓縮h-BN泡沫的平面導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)62 W/(mK)。石墨烯和h-BN泡沫都可以滲透形成聚合物復(fù)合材料。等人創(chuàng)建了垂直排列的石墨烯泡沫環(huán)氧復(fù)合材料，在石墨烯負(fù)載分?jǐn)?shù)為19 vol%時(shí)，其通平面導(dǎo)熱系數(shù)為35.5 W/(mK)，顯著高于隨機(jī)分散的石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料。最近，Zhamu等人通過無化學(xué)物質(zhì)的方法合成了一種高彈性和彈性的石墨烯泡沫。這種石墨烯-碳混合泡沫顯示出作為散熱器的超級有效的潛在應(yīng)用
圖9.石墨烯泡沫。
2.5.2 定向排列的石墨烯片
石墨烯片具有優(yōu)異的面內(nèi)導(dǎo)熱性，但由于其低的通面導(dǎo)熱性，通常局限于熱擴(kuò)散應(yīng)用。一種潛在的解決方案是將多個(gè)石墨烯片堆疊成塊狀材料，可用于TIM和其他熱應(yīng)用。Liang等人引入了這一概念，創(chuàng)造了一種通平面導(dǎo)熱系數(shù)為112 W/(mK)的材料。將石墨烯薄膜與焊料或聚合物堆疊并粘合在一起，然后垂直于導(dǎo)熱軸切割成薄片，適用于TIM。Zhang等人和Wang等人進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化了這一概念，導(dǎo)熱系數(shù)分別為615 W/(mK)和1379 W/(mK)。與傳統(tǒng)TIM相比具有優(yōu)異的導(dǎo)熱系數(shù)，其導(dǎo)電性甚至高于散熱器材料，從而消除了具有厚粘合線的TIM的缺點(diǎn)。相反，TIM和連接表面之間的熱接觸熱阻是限制因素，而不是熱導(dǎo)率。
展開 用于電磁干擾屏蔽的Mxene和石墨烯氣凝膠的制備、進(jìn)展、面臨挑戰(zhàn)和前景
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(shù)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(xì)胞壁和單向孔道(圖4c)；MXene/CNF混合氣凝膠的結(jié)構(gòu)在橫向上趨向于各向同性(圖4d)。作者調(diào)整了細(xì)胞壁方向，使有取向的細(xì)胞壁與入射emw的電場方向形成不同的角度(圖4e, f)。當(dāng)有取向的細(xì)胞壁/孔通道平行于電場方向時(shí)，定義為0°角。如圖4所示，測量了混合氣凝膠的EMI SE值(密度為4 mg/cm3)。混合氣凝膠的EMI SE高達(dá)74.6 dB, SSE高達(dá)30660 dB cm2/g(圖4h-g)， SSE/t高達(dá)189400 dB cm2/g(圖4h-g)，優(yōu)于其他基于MXene或其他先前描述的屏蔽設(shè)計(jì)。我們表明，高度定向的仿生細(xì)胞壁的存在通過調(diào)整它們的定向角度來有效地調(diào)節(jié)入射emw的電場方向，從而有效地調(diào)節(jié)EMI屏蔽效果。這種新現(xiàn)象與有限元分析建模結(jié)果相吻合，使我們能夠在不改變氣凝膠框架材料的情況下優(yōu)化EMI屏蔽性能。
圖4.(a)組裝的MXene/CNF雜交細(xì)胞壁示意圖和MXene/CNF混合分散體的單向凍結(jié)，(b) MXene、CNFs和非共價(jià)相互作用圖，(c)縱向面和(d)橫向面，CNF密度為4 mg/cm3, CNF密度為17 wt%的MXene/CNF混合氣凝膠的SEM圖像，(e)相應(yīng)細(xì)胞壁/孔道的定向誘導(dǎo)電磁干擾屏蔽過程。
展開 導(dǎo)熱聚合物材料的發(fā)展趨勢：關(guān)鍵因素、進(jìn)展與展望
Yao等人利用冷凍鑄造方法實(shí)現(xiàn)了垂直排列和互連的SiC納米線網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)為傳熱提供了通道，并在低填充率為2.17 vol %的情況下實(shí)現(xiàn)了1.67 W/mK的高通平面導(dǎo)熱系數(shù)(圖6a-c)。
圖6.碳化物填充復(fù)合材料。
Guo等人制備了3D(CF)-MXenes通過冷凍干燥法制備泡沫，然后注入環(huán)氧樹脂，在填料含量為30.2% wt%時(shí)獲得導(dǎo)熱系數(shù)為9.68 W/mK的CF-M/環(huán)氧復(fù)合材料，同時(shí)獲得較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和較低的熱膨脹系數(shù)(圖6d)。
Al2O3有八種不同的晶體結(jié)構(gòu)，其中??-Al2O3因其穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)緊湊、活性低、電絕緣性能優(yōu)異、高的
??值(30-36 W/mK)和優(yōu)異的介電性能而備受關(guān)注。Wang等人用納米球形鋁粉和水制備了花狀A(yù)l2O3 (f-Al2O3)，然后在氮化硼納米片表面涂覆Al2O3 (BNNSs@f-Al2O3)。采用熱壓法制備材料時(shí)，納米顆粒沿面內(nèi)方向排列在聚合物中。Al2O3連接相鄰的BNNs，沿著聚合物的面內(nèi)方向構(gòu)建了導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。該策略實(shí)現(xiàn)了COC/BNNSs @fAl2O3復(fù)合材料，同時(shí)具有高導(dǎo)熱性和高分解率，低CTE，低介電常數(shù)(圖7a-c)。
圖7.氧化物填充復(fù)合材料。
Gu等先通過原位聚合法制備微米BN/聚酰胺酸(mBN/PAA)化合物，再通過靜電紡絲得到mBN/PAA靜電紡纖維。制備的mBN/聚酰亞胺(mBN/PI)復(fù)合材料在低填充量的同時(shí)也具有高的??
值、優(yōu)異的介電性能和熱穩(wěn)定性(圖8a)。
展開 