絕熱材料在國防軍工、航空航天、日常民用、工業(yè)生產(chǎn)等諸多領域具有廣泛的應用需求。其中二氧化硅氣凝膠因具有極低的熱導率（λ<20 Mw?m-1?K-1，低于空氣），被認為是一種“超級絕熱材料”。但該材料存在強度差、受力易破碎等問題，極大限制了材料的實際應用，如何獲得兼具高柔性和高絕熱性能的氣凝膠材料具有重要的戰(zhàn)略意義。
近日，東華大學纖維改性材料國家重點實驗室、材料科學與工程學院的成艷華及朱美芳教授研究團隊圍繞國家新型材料發(fā)展，以輕質(zhì)、柔性、高絕熱性材料為研究目標，將軟且韌的有機納米纖維引入硬且脆的無機硅網(wǎng)絡中，通過跨尺度（分子-納米-微米）結(jié)構(gòu)設計，獲得宏觀具有高柔韌性和高絕熱性的纖維復合氣凝膠材料。多尺度“軟-硬”協(xié)同雜化策略如下（圖1）：分子尺度上，采用低交聯(lián)密度的硅源增加硅網(wǎng)絡的韌性；納米尺度上，利用纖維素納米纖維和硅網(wǎng)絡界面間的強結(jié)合能力確保材料的機械完整性；微米尺度上，通過纖維橋聯(lián)復合網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)實現(xiàn)材料的高孔性和柔韌性。采用該策略設計的纖維復合氣凝膠在國防軍工、航空航天、能源管理、民用保暖等領域都具有較為廣闊的應用前景。
圖1.硅-纖維素復合氣凝膠制備的示意圖及其形貌圖
圖2.纖維復合氣凝膠的拉伸穩(wěn)定性及高柔性
該納米纖維-硅復合氣凝膠具有極低的熱導率15.3 mW?m-1?K-1，孔隙率高達93.6%，比表面積高達660 m2?g-1，可支撐起高于其本身質(zhì)量4個數(shù)量級的重物，并可進行彎折、卷曲、折疊等，且能夠裁剪成任意形狀（圖2）?；谌嵝詮秃蠚饽z優(yōu)異的絕熱性能（圖3），作者進一步制備了具有電熱-絕熱一體化雙模式的高效熱器件，增加能量的利用效率?；趶秃蠚饽z優(yōu)異的疏水性和高度多孔性，這一復合氣凝膠還可以應用于環(huán)境污染物處理等領域。
圖3.纖維復合氣凝膠的絕熱性能
這一成果近期發(fā)表在Advanced Functional Materials上，文章的第一作者是東華大學的博士研究生張君妍。
