电子科大廖家轩团队AFM：重磅突破！超绝热、超疏水、力学性能优异的轻质气凝胶材料

如此优异的多功能性材料想必已经让您迫不及待地想去发现其中奥秘了，那就让我们一起走近电子科技大学廖家轩教授团队近期在《Advanced Functional Materials》报道的最新工作吧。

图1 论文发表页面

因具有高比表面积、高孔隙率、低密度、连通性介/微孔孔隙等结构特性，气凝胶自诞生之日起便备受关注，曾被《科学》杂志誉为“可以改变世界的神奇材料”，并已经创下了15项“吉尼斯世界记录”。进入21世纪后，气凝胶迈入了多样化的发展时期，展现出了卓越的发展实力和领先的性能水平，尤其是在热绝缘领域，其可媲美或甚至低于空气的导热系数[约0.026 W/(m·K)]使之主导了高性能热绝缘材料的发展走向。

然而，常规气凝胶因纳米粒子间点对点的刚性连接模式和高孔隙率结构特性导致了强度低、脆性大、难加工等力学性能局限，造成其实际应用受限，仅能以掺杂形式依托于载体材料发挥性能功效，但这本质上属于对气凝胶结构连续性和完整性的破坏，致其性能优势大打折扣。

为了解决这一难题，电子科技大学廖家轩教授团队的龙鑫博士创新性提出了“1D结构基元层次化”的设计理念，即以密度仅为钢铁1/5但强度远超钢铁5倍以上的纤维素纳米纤维（CNFs-C）为强度支撑内核结构，使自合成苯并噁嗪（BOZ）开环聚合所得的高强度聚苯并噁嗪（PBOZ）为中间壳结构，并在核壳界面处构建了胺键和氢键的交联网络以最大程度发挥分层型1D结构基元的高稳定性优势。

为具有超热绝缘性，本研究在凝胶过程中基于黏度变化控制引入了液氮定向冷冻工艺，所制备复合气凝胶（SPCCAM）于微观上形成了类蜂窝状各向异性结构，其沿孔道径向上产生了热绝缘屏障，促进了超低导热系数产生。并且，本研究也通过CNFs-C对BOZ化学吸附力和对超疏水SiO₂纳米粉末（hydrophobic-260）物理吸附力的差异使hydrophobic-260在BOZ凝胶时离散式嵌入PBOZ壳的外围，故SPCCAM产生了纳米级“荷叶效应”，形成了超疏水特性。

图2 SPCCAM微观及纳观结构形貌表征

在综合力学性能上，0.242 g/cm³低密度和89.2 %高孔隙率的SPCCAM在 70 %高压缩应变处进行10000次加载-卸载循环后仅产生了2.1 %的残余应变，极限压缩应变可至90 %以上，且90 %压缩应变处的强度高达59.4 MPa。以30.0 mm高度试样计算，SPCCAM在90 %压缩应变处承受的压力超过了自身重量的8.64×10⁶倍。此外，SPCCAM拉伸和剪切时的屈服点应变分别约20和35 %，对应极限强度为40.12和39.54 MPa，展现出了十分优异的综合力学性能。

图3 SPCCAM综合力学性能表征

在热绝缘性能上，SPCCAM沿微观孔道径向和轴向上的导热系数分别为0.02386和0.03879 W/(m·K)，产生的各向异性因子为1.626。即使温度升至起始热解温度300 ℃，径向导热系数也仅0.04734 W/(m·K)，可实际表现为在该温度下加热19.0 mm高度试样底部30 min后，顶表面温度仅57.8 ℃，彰显了其超热绝缘特性。

图4 SPCCAM热绝缘性能研究

在疏水性能上，SPCCAM沿径向上疏水角为163.3°，10 min后该角度仍维持在162.1°，且对水的表面张力极低。另外，SPCCAM完全漂浮于水面上和完全压入水中480 min后的质量增加率分别仅1.22和4.56%，及在25 ℃和80 RH%环境中的饱和质量吸湿率也仅0.27 %，故可归属于超疏水材料范畴。

图5 SPCCAM疏水性能表征

总结：本论文研究所制备复合气凝胶SPCCAM具强度超高、可行变能力优异、耐疲劳能力强、导热系数极低、超疏水性以及长时疏水稳定性等性能优势的结合，不仅可作为常规高效热绝缘材料应用，同时也为深海、极地等高湿极端环境中的热绝缘材料提供了全新参考。

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