新型陶瓷納米纖維「海綿」可用於柔性絕緣和水凈化

導言

研究人員已經發現了一種從納米級陶瓷纖維製成超輕型海綿狀材料的方法。高度多孔，可壓縮和耐熱的海綿可以有許多用途，從水凈化裝置到柔性絕緣材料。

此項研究由中國清華大學材料學院新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室和工程力學系應用力學實驗室先進力學與材料中心與美國布朗大學工程學院高分子實驗室及來自中國電子科技大學和中國地質大學的學者共同完成的，相關研究內容發表在《科學進步》雜誌上。

研究內容

陶瓷是易碎材料，陶瓷中的裂紋很容易迅速傳播，哪怕是細小的變形也會導致災難性的破壞。雖然所有傳統陶瓷都是這樣，但在納米尺度上的東西是不同的。

由於納米尺度動力學的特殊性，陶瓷納米纖維製成的材料具有可變形和柔性的作用，同時保持使陶瓷在高溫應用中有用的耐熱性。問題是這種材料不容易製造。一種經常使用的製造納米纖維的方法被稱為靜電紡絲，對陶瓷材料不起作用。另一個潛在的選擇3-D激光列印則是昂貴和耗時的。

所以研究人員使用了一種叫做溶液吹紡的方法，這種方法是在清華大學的實驗室中開發的。該過程使用空氣壓力通過微小的注射孔驅動含有陶瓷材料的液體溶液，當液體湧出時，它迅速凝固成納米級的纖維，這些纖維被收集在紡絲籠中。然後將所收集的材料加熱，消除溶劑材料，留下大量的看起來像棉球的纏結的陶瓷納米纖維。研究人員使用這種方法來製造由各種不同類型的陶瓷製成的海綿，並表明材料具有一些顯著的性能。

例如，海綿能夠在壓縮應變達到50％後能夠反彈，沒有標準陶瓷材料可以做到這一點。海綿還可以在高達800攝氏度的溫度下保持彈性。

研究還表明，海綿具有顯著的高溫絕緣能力。在一個實驗中，研究人員將花瓣放在由二氧化鈦（普通陶瓷材料）納米纖維製成的7毫米厚的海綿上。將海綿底部加熱至400攝氏度10分鐘後，上部的花朵幾乎沒有枯萎。同時，在相同條件下放置在其他類型的多孔陶瓷材料上的花瓣被燒成脆片。

技術前景

海綿的耐熱性及其變形性使得它們作為重要的柔性絕緣材料具有潛在的用途。比如這種材料可以作為消防員服裝的絕緣層。

另一個潛在的用途可能在水質凈化。二氧化鈦是用於分解有機分子的眾所周知的光催化劑，可以殺死水中的細菌和其他微生物。研究表明，二氧化鈦納米海綿可以在含有機染料的水中吸收其重量的50倍。在15分鐘內，海綿能夠在照射下降解染料。隨著水被擠干，海綿然後可以重複使用 - 這是通常用於水凈化的二氧化鈦粉末所無法做到的。

文獻鏈接： 「超輕，可伸縮和高溫彈性陶瓷納米纖維海綿」 科學進步（2017）。DOI：10.1126 / sciadv.1603170，

期刊參考： 科學進步

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