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鄭大劉春太/劉虎團(tuán)隊(duì) Sci. Bull.：具有雙效熱管理和阻燃性的核殼結(jié)構(gòu)BN/SiO2納米纖維太空冷卻膜
2025-01-10  來源：高分子科技

  近日，鄭州大學(xué)劉春太教授研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種同時(shí)具有優(yōu)異雙效熱管理（隔熱和輻射制冷）和阻燃性能的核殼結(jié)構(gòu)納米纖維膜（h-BN/SiO2）用于太空極端高溫環(huán)境防護(hù)，相關(guān)成果以“Core-shell structured BN/SiO2 nanofiber membrane featuring with dual-effect thermal management and flame retardancy for extreme space thermal protection”發(fā)表于Science Bulletin，鄭州大學(xué)直聘副研究員潘朵、碩士生韓自圓為共同第一作者，劉虎副教授為共同通訊作者。



  近年來，隨著載人航天、探月工程的快速發(fā)展，極端太空熱環(huán)境對航天員安全和航天設(shè)備可靠運(yùn)行帶來了極大的挑戰(zhàn)，對高溫環(huán)境下的熱管理防護(hù)材料提出了更高的性能要求，因此開發(fā)輕量化、柔性、高效的高溫?zé)岱雷o(hù)材料一直是航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。


  目前，分別選擇使用SiO2纖維膜作為隔熱材料和氮化硼（BN）作為被動輻射制冷（PRC）填料的研究報(bào)道較多。然而，由于BN的本征高熱擴(kuò)散系數(shù)，使其在隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用中具有嚴(yán)重局限性。所以如何有效結(jié)合這兩種惰性陶瓷材料來構(gòu)建具有隔熱和輻射制冷的雙效熱管理復(fù)合材料具有重大研究意義。


  鑒于此，鄭州大學(xué)劉春太教授研究團(tuán)隊(duì)以SiO2前驅(qū)體溶膠作為復(fù)合纖維殼層，以六方氮化硼（h-BN）納米片溶膠作為復(fù)合纖維核層，通過同軸靜電紡絲法制備了一種具有獨(dú)特核殼結(jié)構(gòu)的h-BN/SiO2納米纖維膜（HS），該復(fù)合纖維膜同時(shí)具有SiO2優(yōu)異的隔熱性能和BN出色的被動輻射制冷性能。核層不連續(xù)的BN被殼層SiO2纖維膜有效隔離，且BN和SiO2固有的高溫?zé)岱(wěn)定性，使復(fù)合纖維膜也表現(xiàn)出了極好的阻燃性。通過調(diào)節(jié)BN的含量，當(dāng)添加含量為0.9 g時(shí)，HS0.9表現(xiàn)出極低熱導(dǎo)率（0.026 W m?1K?1）和寬范圍的高反射率和發(fā)射率（均超90%），使其在高日照強(qiáng)度和強(qiáng)光輻射下都能達(dá)到理想的冷卻效果。此外，為了進(jìn)一步提高復(fù)合纖維膜的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，通過真空抽濾在HS0.9纖維表面包裹一層聚酰亞胺，使其強(qiáng)度從0.42 MPa大幅度提高至7.2 MPa。因此，此研究工作為極端太空環(huán)境以及日常生活中的高溫防護(hù)材料提供了創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)方案。


圖1. h-BN/SiO2納米纖維膜（HS）的制備流程


圖2.（a）h-BN與m-BN電子照片；（b）m-BN的丁達(dá)爾效應(yīng)；（c）h-BN和m-BN的FTIR光譜；（d-g）SiO2和HSx的SEM圖；（h）MSPx、HS0.9等相關(guān)樣品的TG熱重曲線；（i）MSP0.9和HS0.9的FTIR光譜；（j-1）HS0.9的TEM圖像及相應(yīng)的N、Si元素的Mapping圖像


圖3.（a）SiO2和HSx的熱導(dǎo)率；（b）熱臺試驗(yàn)溫度-時(shí)間曲線；（c）熱臺試驗(yàn)溫差（△T）-時(shí)間曲線；（d）覆蓋人體皮膚測試中SiO2和HSx的紅外圖像；（e）HSx隔熱機(jī)理圖


圖4.（a）HSx的PRC機(jī)理圖；（b）在AM1.5太陽光譜和“大氣窗口”下SiO2和HSx的UV-vis-NIR反射率和（c）紅外發(fā)射率；（d）模擬太陽輻照試驗(yàn)示意圖以及相應(yīng)的（e）紅外圖像；（f）樣品與熱輻射環(huán)境之間的溫差（△T）-時(shí)間曲線；（g）SiO2和HSx的冷卻功率；（h）SiO2與HSx上下表面之間平均溫差△Tm


圖5.（a-b）SiO2/PVA、SiO2、MSP0.9和HS0.9的放熱率（HRR）；（c）商品棉與HS0.9的燃燒試驗(yàn)對比


圖6.（a）SiO2和HSx的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）HSPI0.9的制備過程；（c）HS0.9和HSPI0.9的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（d）HSPI0.9的掃描電鏡圖像；（e）HS0.9和HSPI0.9的熱導(dǎo)率對比；HSPI0.9和其他相關(guān)樣品的UV-vis-NIR反射率；（g）HSPI0.9的燃燒測試示意圖


  文章信息：

  Duo Pan1,ZiyuanHan1,JuntingLei,YutaoNiu,HuLiu*,SunmiShin,ChuntaiLiu*,ZhanhuGuo, Core-shell structured BN/SiO2 nanofiber membrane featuring with dual-effect thermal management and flame retardancy for extreme space thermal protection, 2025

  https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.01.005

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