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中國科大龔興龍教授 Compos. Part B-Eng.：堅固且具有沖擊防護(hù)、隔熱和防冰功能的多尺度仿生ANF/PMSQ氣凝膠
2025-02-24  來源：高分子科技

  隨著人類活動持續(xù)污染全球生態(tài)系統(tǒng)，自然災(zāi)害和極端天氣事件的日益頻繁構(gòu)成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在這種情況下，個人和工程設(shè)備都面臨著復(fù)雜的威脅，包括機(jī)械沖擊、極端溫度、濕氣腐蝕和冰侵蝕.因此，在個人健康保障和工業(yè)安全方面迫切需要更高的標(biāo)準(zhǔn)，這需要開發(fā)在各種工作條件下具有多功能保護(hù)性能的新型材料。在自然界中，生物體在數(shù)百萬年的時間里進(jìn)化出獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。例如，蜂窩結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出非凡的承載能力，可以通過薄壁屈曲吸收大量的沖擊能量。利用相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的變形和損傷，柚子皮可以有效地吸收沖擊和振動能量，從而防止果實掉落時受到損壞。此外，這種結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)出優(yōu)異的保溫效果。這些仿生機(jī)制為設(shè)計功能性材料和實現(xiàn)最佳防御效率與便攜性提供了新的思路。


  基于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授團(tuán)隊創(chuàng)新性地將具有定向蜂窩結(jié)構(gòu)的芳綸納米纖維氣凝膠（ANF）與具有多孔仿柚皮結(jié)構(gòu)的聚甲基倍半硅氧烷（PMSQ）相結(jié)合，設(shè)計了一種具有抗沖擊性、隔熱性和延遲結(jié)冰能力的多尺度仿生ANF-PMSQ納米復(fù)合氣凝膠（ANFP）。首先，通過定向冷凍鑄造和酸輔助質(zhì)子化制備了具有高強(qiáng)度蜂窩導(dǎo)向骨架結(jié)構(gòu)的ANF氣凝膠;隨后，PMSQ在蜂窩骨架中生長，構(gòu)建連續(xù)多孔柚皮狀結(jié)構(gòu)。合成的ANFP氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。同時，該材料的沖擊防護(hù)能力得到了顯著提高。而粗糙的表面結(jié)構(gòu)和大量疏水基團(tuán)的存在也賦予了氣凝膠超疏水性，能夠有效地延緩水分在表面的結(jié)冰時間。這些卓越的特性表明，ANFP氣凝膠在未來輕質(zhì)和多功能防護(hù)材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。


  相關(guān)研究成果以“Robust multi-scale bionic ANF/PMSQ aerogel featuring impact protection, thermal insulation and anti-icing functions”為題，發(fā)表在國際期刊《Composites Part B: Engineering》。論文第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院碩士生胡志豪，通訊作者為龔興龍教授與王勝副教授。


圖1. ANFP氣凝膠的制備與表征


  ANFP氣凝膠的制備過程包括單向冷凍澆鑄、酸輔助再質(zhì)子化、冷凍干燥、溶膠-凝膠處理和空氣干燥等步驟。該氣凝膠具有低密度，可通過靜電吸附在手上。并且分別在微米尺度與納米尺度上存在兩種不同的仿生結(jié)構(gòu)。多尺度仿生結(jié)構(gòu)與獨(dú)特的材料特性協(xié)同作用賦予了ANFP氣凝膠多重防護(hù)性能。


圖2. ANFP氣凝膠的力學(xué)性能


  蜂窩狀定向骨架賦予了ANFP優(yōu)異的力學(xué)性能，并且骨架內(nèi)原位生長的PMSQ進(jìn)一步增強(qiáng)了其機(jī)械強(qiáng)度。在拉伸性能方面，ANFP2軸向拉伸強(qiáng)度比純ANF提高約22.7%，并且ANFP2則有較好韌性和抗疲勞性。在壓縮性能上，多尺度仿生結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異壓縮性能，ANFP2能支撐70千克重物僅變形1.5%，比傳統(tǒng)氣凝膠更為堅固，增加PMSQ的含量可顯著提高壓縮模量和屈曲強(qiáng)度。其軸向壓縮可被分為線性彈性、平臺、致密化三個階段，這種特殊的變形行為可以有效耗散壓縮能量。此外，ANFP的壓縮模量不受應(yīng)變率影響，具有極佳穩(wěn)定性好。


圖3. ANFP氣凝膠的抗沖擊性能


  多尺度仿生策略還賦予了ANFP優(yōu)異的沖擊防護(hù)性能。定向蜂窩骨架結(jié)構(gòu)的屈曲可以耗散大量的動能。介孔PMSQ在骨架內(nèi)原位生長，形成了類似柚子皮的結(jié)構(gòu)，其孔隙結(jié)構(gòu)的的變形與破壞進(jìn)一步提升了其能量耗散能力。其中，在多次重復(fù)沖擊下ANFP氣凝膠具有更好的耐久性。與商用防護(hù)材料相比，ANFP2的密度低、碰撞時間長、耗散沖擊力多，玻璃保護(hù)測試也證明其防護(hù)性能優(yōu)異。在高速彈道測試中，ANFP2氣凝膠防彈能力也優(yōu)于ANF-O，表明ANFP2在不同沖擊環(huán)境下抗沖擊性能優(yōu)異，在防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用有廣闊的應(yīng)用前景。


圖4. ANFP氣凝膠的隔熱和阻燃性能


  多尺度仿生結(jié)構(gòu)顯著降低了氣凝膠的軸向熱導(dǎo)率。ANFP2熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于ANF-O，在極端高低溫下仍能保持良好隔熱。在高溫環(huán)境下，具有比商用防護(hù)材料更優(yōu)異的熱防護(hù)能力。更重要的是，ANFP2在多次浸水后仍能保持穩(wěn)定隔熱性能。并且ANFP2能有效防護(hù)熱輻射，保護(hù)巧克力熊貓模型20分鐘不融化。此外，ANFP的壓縮模量對溫度依賴性弱，具有良好的熱穩(wěn)定性，PMSQ的加入進(jìn)一步提高了材料的阻燃性能。


圖5. ANFP氣凝膠的疏水和防冰特性


  由于其粗糙的表面結(jié)構(gòu)以及疏水基團(tuán)的存在，ANFP2的水接觸角達(dá)到了151.1°，達(dá)到超疏水狀態(tài)。并且在膠帶循環(huán)剝離實驗，高溫實驗以及耐酸堿鹽實驗中，其疏水性依然良好。超疏水表面和多孔結(jié)構(gòu)也使ANFP氣凝膠具有了防冰特性，水滴在ANFP2表面完全結(jié)冰時間遠(yuǎn)長于普通玻璃和ANF氣凝膠。


圖6. ANFP氣凝膠在防冰、保溫和抗沖擊方面的應(yīng)用


  由于全球氣候變化導(dǎo)致戶外設(shè)備結(jié)冰風(fēng)險劇烈，而ANFP氣凝膠因其防冰特性成為了防冰領(lǐng)域極具潛力的材料。通過構(gòu)建低溫裝置驗證了ANFP在管道防冰中以及電池安全防護(hù)中的應(yīng)用潛力，與PU和EVA泡沫相比，ANFP2表面的結(jié)霜時間更晚，且在低溫下抗沖擊性能優(yōu)于EVA和PU泡沫。同時開展了對鋰電池的保護(hù)測試，實驗表明，有ANFP2保護(hù)的鋰電池在低溫環(huán)境中能夠保溫更長時間，電壓下降幅度更小。受落錘沖擊后電壓變化小且無明顯損壞，而未保護(hù)的電池電壓變化大且明顯變形。


  本工作通過定向冷凍澆鑄和溶膠-凝膠法制備了一種多尺度仿生ANF/PMSQ復(fù)合氣凝膠。ANFP2氣凝膠繼承了取向骨架的高拉伸強(qiáng)度和高屈曲強(qiáng)度。介孔PMSQ顯著地將軸向熱導(dǎo)率，并大幅提升其阻燃性能。此外，ANFP2表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊保護(hù)能力。其主要的能量耗散機(jī)制包括骨架屈曲、層間分層以及介孔網(wǎng)絡(luò)變形破碎。由于其超疏水性，ANFP2還表現(xiàn)出令人印象深刻的防冰能力。ANFP能夠有效實現(xiàn)管道防冰保護(hù)和電池安全防護(hù)。這項工作凸顯了輕質(zhì)多功能防護(hù)材料廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。


  原文鏈接：

  Zhihao Hu, Sheng Wang, Jianpeng Wu , Zimu Li, Shuai Liu, Yue Yao, Shilong Duan, Guilin Mei and Xinglong Gong. Robust multi-scale bionic ANF/PMSQ aerogel featuring impact protection, thermal insulation and anti-icing functions. Composites Part B: Engineering. 2025, 112304. DOI: 10.1016/j.compositesb.2025.112304.

  https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112304

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