氣凝膠憑借超輕超隔熱特點已經(jīng)被廣泛作為航空航天和軍事領(lǐng)域中的隔熱材料，其低導(dǎo)熱性源于內(nèi)部大量的微納米孔隙，能夠有效地減少熱量的傳導(dǎo)和對流。然而微納米孔隙同時造成了氣凝膠骨架的稀疏性，在面臨一些極端載荷或環(huán)境時，如沖擊、撕扯、擠壓、水侵蝕、高溫炙烤等，這些骨架極易被破壞并永久地喪失隔熱保溫功能。以往的研制工藝嘗試通過微纖維的取向組裝來提高拉伸強度，但無法徹底改善氣凝膠的高剛度和高脆性。因此，如何保證原有的隔熱性能，并提高氣凝膠的強度和韌性，對輕量化多體防護裝備的發(fā)展具有重大意義。
圖1. 芳綸氣凝膠的制備過程、骨架和纖維網(wǎng)絡(luò)的拉伸過程模擬、以及氣凝膠實物圖
芳綸納米纖維，商品名為Kevlar，是一種高強度耐燃燒的合成纖維，通過脫質(zhì)子化作用可溶解在極性堿溶液中，經(jīng)過凝膠化和凍融過程可再次重質(zhì)子化形成輕質(zhì)多孔的芳綸氣凝膠。目前合成的芳綸氣凝膠塊體都具有出色的隔熱保溫性能，但仍然表現(xiàn)出較差的力學強度，限制了在力承載構(gòu)建方面的應(yīng)用，主要原因是重質(zhì)子化時納米纖維的交聯(lián)度較低。針對這一問題，中國科學技術(shù)大學龔興龍課題組近日提出了一種酸輔助原位交聯(lián)強化方法制備具有取向結(jié)構(gòu)的芳綸氣凝膠（圖1a-b）。通過定向冷凍構(gòu)建微米級陣列片層，進一步利用乙酸的質(zhì)子供應(yīng)效應(yīng)原位促進納米纖維間的氫鍵聯(lián)結(jié)，由纖維交聯(lián)而成的片層因此逐漸致密化。該芳綸氣凝膠不僅保持了超低的導(dǎo)熱系數(shù)（15.8 mW m-1 K-1）和低密度（42-82 mg cm-3），可實現(xiàn)極端溫度下的熱阻隔和長時間的燃燒保護，還具有超高的拉伸比強度（89 MPa cm3 g-1）和韌性（1.3 MJ m-3），即使受到30天的高溫烘烤和7天的水侵蝕，仍然保留了90%以上的拉伸強度。此外，該芳綸氣凝膠還具有出色的抗穿透和抗沖擊性能，其子彈沖擊能的吸收效果是同密度下商用緩沖泡沫的2~3倍，優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強韌性使得氣凝膠材料有望在輕量化多體防護中開拓廣泛的應(yīng)用。該工作已發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上，題為“Acid-assisted toughening aramid aerogel monoliths with ultralow thermal conductivity and superior tensile toughness！
圖2. 不同凝固浴重質(zhì)子化后芳綸氣凝膠的微納結(jié)構(gòu)和力學性能
圖3. 芳綸氣凝膠的拉伸和抗撕裂性能
圖4. 芳綸氣凝膠的壓縮性能
圖5. 芳綸氣凝膠的隔熱阻燃性能
圖6. 芳綸氣凝膠的抗穿刺性能
圖7. 芳綸氣凝膠的彈道沖擊測試
因此，該芳綸氣凝膠可以作為抗沖擊隔熱層應(yīng)用于宇航員的防護服中，以抵御太空中可能遇到的高速飛行的隕石或太空垃圾（圖7a）。彈道測試證明該氣凝膠對子彈沖擊能（~140 m s-1）的吸收是同密度泡沫的2.8倍（圖7c），且在60 m s-1的沖擊演示中能夠保證宇航員黏土模型的完好無損（圖7e-h）。
綜上所述，該工作通過定向冷凍和酸輔助交聯(lián)強化方法制備了一種高強韌高隔熱阻燃的芳綸氣凝膠，可通過快速的空氣干燥方式進行大批量制備，因此有望作為輕量化防護材料應(yīng)用于沖擊-熱耦合的多體防護。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202307072
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