清华北大联手发顶刊！一种超强多功能陶瓷海绵

2022-05-12 13:13:20 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

通常，陶瓷被认为在室温下本质上是脆性的，这主要归因于有限的晶体滑移和预先存在的几何缺陷。此外，弹性的缺乏严重阻碍了陶瓷材料的许多高端应用。

在此，来自北京大学的韦小丁和清华大学的林元华&伍晖等研究者合成了一种陶瓷海绵，它同时具有超轻、弹性、隔热等特点，并且可以在大变形后完全恢复，泊松比接近于零。相关论文以题为“Nanograin–glass dual-phasic, elasto-flexible, fatigue-tolerant, and heat-insulating ceramic sponges at large scales”发表在MaterialsToday上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702122000402

陶瓷，因其独特的物理和化学性质，在电子/光电子、生物材料、环境研究和能源等领域得到了广泛的应用。在极端环境下的保温防火领域，多孔陶瓷结构具有较高的熔点和较低的固有热导率，与碳质和聚合物材料相比具有独特的优势。然而，由于在绝大多数温度下缺乏主动弹性或韧性变形，在临界载荷下，应力主要集中在最严重的预先存在的几何缺陷（固有的或制造起源的），最终导致突然和灾难性的故障。陶瓷固有的刚性和脆性，严重限制了其在动态、冲击、无侧限载荷和高能输出条件下的扩展应用；例如，电池组热失控（TR）期间的热阻塞，毁灭性火场中的热防护，火箭发动机周围的热保护，宇航员的生命支持。

在过去的几十年里，人们致力于通过基础材料结构设计来克服多孔陶瓷的脆性。以往的研究主要集中在聚合物/碳杂化陶瓷杂化材料（如石墨烯/Al2O3气凝胶）和聚合物涂层机织陶瓷织物，但工作温度和导热系数均不理想。一种具有吸引力的轻质甚至超轻陶瓷结构的热绝缘体系列，包括一维（1D）纳米结构组件、3D/4D打印聚合物衍生的超材料、冰晶模板多孔气凝胶，以及现有的有机或碳质模板复制材料，已被广泛研究。具体来说，Greer等人发明了强、轻、可回收的3D空心管纳米晶格材料。这是陶瓷结构中类似延性变形和可恢复性的先导性演示。Duan等人报道了一种由三维石墨烯气凝胶模板制成的具有双曲线结构的新型陶瓷气凝胶，其具有强大的力学和热稳定性。这些先进的结构，通过计算机设计或基础模板翻转制备，可以获得优越的力学性能，在一定程度上克服了陶瓷固有的脆性。然而，这种行为还没有扩展到陶瓷砌块或结晶结构。最关键的是，单晶或多晶有序如何能使变形能力有如此大的增长，这一基本问题仍未得到解答。

更详细地说，在极少数情况下，纳米粒、单晶和玻璃结构提供了独特的机会，来实现之前未观察到的超弹性或延展性。典型的变形机制有：小尺度纳米晶粒改性马氏体柱中的晶界滑动机制、纳米尺度单晶膜中纳米畴可逆动态演化机制以及非晶态薄膜中的粘性蠕变机制。应用实例有商业上可用的光纤、陶瓷微纤维和具有无缺陷玻璃陶瓷结构的透明陶瓷。这些创新的设计原则展示了一种具有卓越力学性能的超纳米结构，这启发了人们探索和设计一种类似的宏观超轻陶瓷结构的纳米结构。

在此，研究者提出了一种简单的解决方案，用于大规模制造超轻海绵材料，其建立在三维交错纳米颗粒-玻璃双相（NGDP）陶瓷纤维上。陶瓷纤维的平均晶粒尺寸控制在约13.8 nm，均匀地原位嵌入非晶壳中。由于陶瓷基板固有的柔韧性，在超过90%的压缩应变或80%的屈曲应变的大变形下，获得的海绵材料同时表现出10,000次循环的鲁棒疲劳容忍能力，以及卓越的恢复能力（支撑重量高达自身重量的7750倍而不断裂）。此外，研究者还证明了这些海绵材料可以作为高性能的隔热材料，能够承受巨大的热机械冲击，并防止高能动力电池模块中相邻单元之间的爆燃。这些结果拓宽了陶瓷材料的工业应用到高强度热机械冲击系统，以及火灾事故的紧急保护。

图1 海绵陶瓷的制造、形貌及保温前景。

图2 单纤维的力学性能。

图3 莫来石海绵的弹性。

图4 莫来石海绵的变形机理及温度不变超弹性。

图5 莫来石海绵的保温性能。

综上所述，研究者通过构建纳米颗粒-玻璃双相结构，证明了宏观陶瓷的超弹性和柔韧性。陶瓷系统的柔韧性，来源于封装纳米颗粒作为增强剂的延展性玻璃状矿脉。这些双相陶瓷海绵具有优异的性能，如轻量化、超弹性、耐疲劳、接近零的泊松比和在非常宽的温度范围内的超低导热系数。此外，本文还表明，陶瓷海绵材料可以很容易地按比例放大，因此，可以广泛应用于防火、红外阻尼和空间探索等领域。

这种纳米颗粒-玻璃双相陶瓷的合成技术，也可以扩展到其他陶瓷系统，从而扩大其在材料灵活性是必须的应用领域的潜力。

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