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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、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)，自然災害和極端天氣事件的日益頻繁構成了嚴峻的挑戰(zhàn)。在這種情況下，個人和工程設備都面臨著復雜的威脅，包括機械沖擊、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準，這需要開發(fā)在各種工作條件下具有多功能保護性能的新型材料。在自然界中，生物體在數(shù)百萬年的時間里進化出獨特的結構，以適應復雜的環(huán)境。例如，蜂窩結構表現(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。利用相互關聯(lián)的復雜多孔結構的變形和損傷，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，這種結構還表現(xiàn)出優(yōu)異的保溫效果。這些仿生機制為設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，中國科學技術大學龔興龍教授團隊創(chuàng)新性地將具有定向蜂窩結構的芳綸納米纖維氣凝膠（ANF）與具有多孔仿柚皮結構的聚甲基倍半硅氧烷（PMSQ）相結合，設計了一種具有抗沖擊性、隔熱性和延遲結冰能力的多尺度仿生ANF-PMSQ納米復合氣凝膠（ANFP）。首先，通過定向冷凍鑄造和酸輔助質子化制備了具有高強度蜂窩導向骨架結構的ANF氣凝膠;隨后，PMSQ在蜂窩骨架中生長，構建連續(xù)多孔柚皮狀結構。合成的ANFP氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能。同時，該材料的沖擊防護能力得到了顯著提高。而粗糙的表面結構和大量疏水基團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冰時間。這些卓越的特性表明，ANFP氣凝膠在未來輕質和多功能防護材料領域具有廣闊的應用前景和巨大的市場潛力。


  相關研究成果以“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技術大學工程科學學院碩士生胡志豪，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構。多尺度仿生結構與獨特的材料特性協(xié)同作用賦予了ANFP氣凝膠多重防護性能。


圖2. ANFP氣凝膠的力學性能


  蜂窩狀定向骨架賦予了ANFP優(yōu)異的力學性能，并且骨架內原位生長的PMSQ進一步增強了其機械強度。在拉伸性能方面，ANFP2軸向拉伸強度比純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，多尺度仿生結構賦予其優(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)異的沖擊防護性能。定向蜂窩骨架結構的屈曲可以耗散大量的動能。介孔PMSQ在骨架內原位生長，形成了類似柚子皮的結構，其孔隙結構的的變形與破壞進一步提升了其能量耗散能力。其中，在多次重復沖擊下ANFP氣凝膠具有更好的耐久性。與商用防護材料相比，ANFP2的密度低、碰撞時間長、耗散沖擊力多，玻璃保護測試也證明其防護性能優(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，在防護領域應用有廣闊的應用前景。


圖4. ANFP氣凝膠的隔熱和阻燃性能


  多尺度仿生結構顯著降低了氣凝膠的軸向熱導率。ANFP2熱導率遠低于ANF-O，在極端高低溫下仍能保持良好隔熱。在高溫環(huán)境下，具有比商用防護材料更優(yōu)異的熱防護能力。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能有效防護熱輻射，保護巧克力熊貓模型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構以及疏水基團的存在，ANFP2的水接觸角達到了151.1°，達到超疏水狀態(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構也使ANFP氣凝膠具有了防冰特性，水滴在ANFP2表面完全結冰時間遠長于普通玻璃和ANF氣凝膠。


圖6. ANFP氣凝膠在防冰、保溫和抗沖擊方面的應用


  由于全球氣候變化導致戶外設備結冰風險劇烈，而ANFP氣凝膠因其防冰特性成為了防冰領域極具潛力的材料。通過構建低溫裝置驗證了ANFP在管道防冰中以及電池安全防護中的應用潛力，與PU和EVA泡沫相比，ANFP2表面的結霜時間更晚，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測試，實驗表明，有ANFP2保護的鋰電池在低溫環(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復合氣凝膠。ANFP2氣凝膠繼承了取向骨架的高拉伸強度和高屈曲強度。介孔PMSQ顯著地將軸向熱導率，并大幅提升其阻燃性能。此外，ANFP2表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊保護能力。其主要的能量耗散機制包括骨架屈曲、層間分層以及介孔網(wǎng)絡變形破碎。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)管道防冰保護和電池安全防護。這項工作凸顯了輕質多功能防護材料廣闊的應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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（責任編輯：xu）
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