根據3D科學谷的市場研究，2020年發表在訂刊 Nature 中的研究成果揭示了微型二氧化矽氣凝膠製造技術取得的突破性進展。來自瑞士國家聯邦實驗室（Empa）的研究團隊展示了如何通過墨水直寫3D列印技術實現二氧化矽氣凝膠材料的高精度製造。該技術為眾多高科技行業的隔熱應用打開了新的可能性，例如微電子、機器人技術、生物技術和傳感器技術。3D列印技術使得多層/多材料組合的生產更加可靠和可重複，也是的新型氣凝膠精細結構的製造具有可行性。
3D科學谷白皮書
二氧化矽氣凝膠材料的一個性能是脆性，由於脆性易導致斷裂行為，因此難以從較大的氣凝膠塊中分割成小塊，而通過小型模具直接固化凝膠的技術廢品率高。這些是導致二氧化矽氣凝膠材料幾乎不能實現小型應用的主要原因。
近期，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所王錦研究員和胡東梅研究員針對開發可廣泛應用於極端環境下可連續化批量製備的輕質、柔性、耐極端高溫、可賦性的陶瓷氣凝膠熱管理材料取得最新進展。雖然該研究是否採用了3D列印技術還未知，然而國內在陶瓷氣凝膠熱管理材料的這一突破使得3D列印技術的未來應用更具有想像空間。
論文連結：
https://doi.org/10.1002/adfm.202309148
/ 全文概述
01 背景介紹
航空航天、建築和人類日常生活中極端環境是普遍存在的，因此開發有效的熱管理解決方案是非常有必要的。為了應對這一挑戰，人們開發了各種隔熱材料，包括玻璃纖維，木材，矽酸鹽，泡沫，真空隔熱板(VIP)和氣凝膠等系列材料。氣凝膠已成為最有前途的絕緣材料，由於其具有大孔隙體積和孔隙率的高多孔結構，因此具有超低導熱性和超低密度。二氧化矽和氧化鋁氣凝膠是幾十年前開發出來的，由於其特殊的防火和耐高溫性能，在航空航天和建築中得到了極大的關注和應用。然而，這些無機氧化物氣凝膠具有固有的脆性和易受極高溫度(EHT)的影響，限制了它們的實際應用。為了克服這些挑戰，人們進行了大量的研究，以提高極高溫（EHT）環境下氣凝膠的熱穩定性和機械性能。儘管一些陶瓷氣凝膠具有耐高溫(1300 – 1600℃)和優異的隔熱性能，但它們可能不完全符合受保護的基板，限制了它們在極端環境中的應用潛力。因此，耐高溫性、超保溫性、機械穩健性和高柔韌性仍然是陶瓷氣凝膠在惡劣環境中實際應用的關鍵挑戰。
02 成果掠影
該文中提出了一種可連續批量化的方法合成具有柔性，輕質和可賦形的氧化矽-氧化鋁復合陶瓷氣凝膠(FR-SACA)。該方法通過使用自我犧牲聚合物重新排列二氧化矽氣凝膠微粒和莫來石陶瓷纖維來實現，形成類似鳥巢結構的交叉互扣的增強結構的FRSACA。柔性氧化矽-氧化鋁陶瓷雜化氣凝膠（SACA）具有優異的性能，包括0.01 g/cm3的超低密度，0.029 W/mK的低導熱率和高達80%的可逆壓縮率。值得注意的是，20mm厚的FR-SACA在直接暴露於1300°C火焰時，溫度降低1179.6°C，這表明它有可能成為高溫環境下的熱管理材料。此外，SACA的可變形性使其能夠在具有各種異型結構的表面上進行原位製造，例如平面、彎曲和傾斜形狀，從而為各種結構提供應用的可能。鳳凰涅槃工藝為合成具有理想靈活性和適應性的陶瓷氣凝膠開闢了新的可能性，有助於在極端條件下進行有效的熱管理。研究成果以「Flexible and Transformable Ceramic Aerogels via a Fire-Reborn Strategy for Thermal Superinsulation in Extreme Conditions」為題發表於《Advanced Functional Materials》。
03 圖文導讀
圖1.SACA和FR – SACA的製備及光學照片。
圖2.普通復合薄膜的燃燒過程、鳳凰涅槃燃燒過程及其機理示意圖。
圖3.SACA和FR – SACA的結構表征。
圖4.SACA和FR – SACA的物理性能表征。
圖5.FR-SACAs的高溫隔熱性能。
圖6.FR-SACA隔熱防火塗料在實際應用中的燃燒實驗和隔熱機理。
單位信息
「中國科學院多功能材料與輕巧系統重點實驗室」依託中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所，成立於2018年11月28日。實驗室以超性能/多功能納米材料為單元、以仿生設計原理為指導、以跨尺度微納精準組裝與加工為手段，用輕質材料和微小器件，並實現其在輕巧系統的集成應用，形成我國在輕量化領域的學科優勢。實驗室布局的輕柔智能防護技術以及仿生集群與協同控制已成為研究所十四五智能可穿戴技術的主攻方向。實驗室目前組建了一支以中青年骨幹和碩博士研究生為主的，有深厚理論基礎的多學科交叉研究團隊。其中中科院人才引進9人，江蘇省雙創人才9人，研究生65名。
來源 | Advanced Functional Materials
原文 | https://doi.org/10.1002/adfm.202309148