纳米纤维气凝胶实现超弹性、耐高温

海绵状弹簧状层状多孔结构的木质海绵具有优秀的机械性能，受此启发，东华大学纺织科技创新中心研究员丁彬和研究员斯阳将柔性的ZrO2–Al2O3纳米纤维与Al（H2PO4）3（AHP）基质相结合，开发了具有各向异性的、层状结构的、恒定机械性能的ZrO2–Al2O3纳米纤维气凝胶（ZrAlNFAs）。由于具有许多堆叠平行排列的多拱形微尺度结构组成的层状结构，ZrAlNFAs 在90%的应变下表现出高达1100 kPa的高压缩强度，在60%的应变下表现出1000次压缩的抗疲劳性。此外，层状结构、高孔隙率（> 98%）和全陶瓷成分使ZrAlNFAs 具有温度不变的可压缩性、高达1300℃的高耐火性、低至0.0322 W m–1K–1的导热性以及高温隔热性能。

研究人员通过将前驱体ZrO2–Al2O3溶胶/聚环氧乙烷（PEO）溶液的混合物静电纺丝来制备柔性ZrO2–Al2O3纳米纤维（ZrO2–Al2O3NFM）。将纳米纤维膜在800℃的空气中煅烧1 小时，以完全分解有机成分并形成结晶相。将AHP 浸入水中后，将ZrO2–Al2O3NFM 浸入30 分钟并逐层堆叠。随后，将层状组件冷冻干燥成未键合的ZrAlNFAs。在冷冻过程中，AHP 溶液中的水逐渐固化成冰晶模板，从而形成具有纳米纤维多孔结构的材料。最后，通过将未结合的ZrAlNFAs 在马弗炉中于800℃煅烧1 h 形成交联的ZrO2–Al2O3NFM 网络。所得的ZrAlNFAs 由蓬松的纳米纤维层构成，具有多孔的层状多层结构，具有优异的隔热性能。

实验表明，3D层状多层弓形ZrAlNFAs 在承受较大的压缩应变时表现出出色的回弹力，同时ZrAlNFAs 在1300℃下处理并同步压缩时仍保持回弹特性。此外，将ZrAlNFAs 在丁烷喷灯火焰下燃烧，发现ZrAlNFAs 在加热过程中保持不可燃，并且在正面和横截面的宏观和微观尺度上都保持其初始整体结构，并且在正面的中央还观察到了光的消融痕迹，表明其在高温隔热中有广阔的应用前景。