【引言】

超低密度陶瓷气凝胶由于其低密度和热导率，化學(xué)和热力學(xué)惰性，高孔隙率和大表面积等优异特性而极具吸引力，并且已经广泛用(yòng)于催化，電(diàn)，环境和能(néng)量等领域。然而与目前大多(duō)数多(duō)孔陶瓷材料一样，这些陶瓷气凝胶多(duō)為(wèi)刚性和脆性，在断裂之前只有(yǒu)轻微的弹性变形，除非它们与聚合物(wù)混合或在先前存在的碳网络上生長(cháng)。在仅由陶瓷组分(fēn)构成的气凝胶中还从未观察到由聚合物(wù)或碳制成的气凝胶中获得过超弹性。由于已知陶瓷的特定弹性弯曲应变低于聚合物(wù)或碳的弹性弯曲应变，因而在多(duō)孔陶瓷网络中实现超弹性将会一次重大挑战。最近，有(yǒu)學(xué)者通过柔韧的SiO₂纳米纤维与铝硼硅酸盐（AlBSi）基體(tǐ)结合来制备超弹性层状结构陶瓷纳米纤维气凝胶，使得陶瓷气凝胶具备了超弹性。

【成果简介】

近日，东华大學(xué)俞建勇院士及丁彬教授（通讯作者）带领的纳米纤维研究团队在Science Advances上发布了一篇关于陶瓷气凝胶的文(wén)章，题為(wèi)“Ultralight and fire-resistant ceramic nanofibrous aerogels with temperature-invariant superelasticity”。
作者通过将SiO₂纳米纤维与铝硼硅酸盐基质结合来制备超弹性层状结构陶瓷纳米纤维气凝胶（CNFAs）。这种方法成功地将随机沉积的SiO₂纳米纤维大规模组装成具有(yǒu)可(kě)调节密度和预期形状的弹性陶瓷气凝胶。CNFAs密度低，可(kě)从80%的应变迅速恢复，在1100℃的高温下泊松比為(wèi)零，具有(yǒu)不随温度而变的超弹性。此外，整體(tǐ)陶瓷特性还為(wèi)CNFAs提供了强大的耐火性和隔热性能(néng)，类新(xīn)型材料可(kě)為(wèi)轻质，弹性和结构适应性陶瓷的发展提供新(xīn)方向。

【图片导读】

图1 CNFAs的结构设计和蜂窝體(tǐ)系结构

(a) CNFAs制备流程的示意图；

(b) CNFAs元素的XPS谱；

(c) 由丁烷喷灯加热的CNFA没有(yǒu)任何损坏；

(d) 不同形状的CNFA的光學(xué)图像；

(e) 立于羽毛尖端CNFA的光學(xué)图像；

(f-h) NFAs在不同放大倍数下的显微结构展示了分(fēn)级纳米纤维细胞状结构；

(i) 分(fēn)别具有(yǒu)对应Si，O，Al和B的元素映射图像的单纳米纤维的STEM-EDS图像；

(j) 相关结构的三个层次。

图2 CNFAs的多(duō)循环压缩性质

(b) 压缩ε為(wèi)60％的500次循环疲劳试验；

(c) 杨氏模量，能(néng)量损失系数和最大应力与压缩循环；

(d) CNFAs与ε的泊松比；

(e) 压缩下纳米纤维细胞壁的反转示意图；

(f-g) 单个细胞和单一纳米纤维曲率半径的SEM图像；

(h) 弯曲二氧化硅纳米纤维微结构的示意图；

(i) 一组实时图像，显示CNFAs可(kě)以高速反弹钢球；

(j) NFAs的储能(néng)模量，损耗模量和阻尼比的频率依赖性；

(k) 低密度选定细胞气凝胶的相对杨氏模量。

图3 CNFAs在很(hěn)宽的温度范围内的力學(xué)性能(néng)

(a-c) CNFAs的储能(néng)模量，损耗模量和阻尼比与角频率的关系图；

(d) CNFAs在各种温度下处理(lǐ)30分(fēn)钟后的压缩和恢复工作；

(e) 在1000°C，1200°C和1400°C处理(lǐ)30分(fēn)钟后CNFA的XRD图谱；

(f) 在1200°C和1400°C处理(lǐ)30分(fēn)钟后CNFA的SEM图像；

(g-h) 在酒精灯和丁烷喷灯火焰中CNFAs的压缩和恢复过程。

图4 CNFAs的隔热性能(néng)

(b) 气凝胶样材料的导热率与最大工作温度的关系；

(c) 用(yòng)于绝热应用(yòng)的大规模CNFA的光學(xué)图像；

(d) CNFAs的保温能(néng)力与FeSiO2和Al2O3材料做比较；

(e) CNFAs在350℃加热阶段30分(fēn)钟的光學(xué)和红外图像；

(f) CNFA在丁烷喷灯下暴露120秒(miǎo)后的光學(xué)和红外图像。

【小(xiǎo)结】

本文(wén)通过将分(fēn)层的细胞纤维结构和AlBSi结合的SiO₂纳米纤维的组合，使超轻陶瓷基气凝胶可(kě)以具备超弹性。凭借其超低密度，弹性可(kě)压缩性，零泊松比，温度不变超弹性，低导热性和耐火性，预计这些卓越的CNFAs材料将在绝热，催化剂载體(tǐ)，吸附剂，柔性電(diàn)气设备和電(diàn)磁，能(néng)量，声學(xué)或振动阻尼等多(duō)个领域发挥重要作用(yòng)。此外，作者还提出了CNFAs制备和弹性机制的基本原则。因此，可(kě)以预计，类似于SiO₂纳米纤维的其他(tā)各种其他(tā)陶瓷纳米纤维都可(kě)能(néng)参与CNFA的制备，為(wèi)开发新(xīn)型基于陶瓷的功能(néng)性气凝胶提供了机遇。