清華大學(xué)伍暉教授團隊開發(fā)一種基于碎冰冷凍干燥的大規(guī)模超細陶瓷纖維氣凝膠

最近，清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉教授團隊開發(fā)了一種具有普適性的、可控的碎冰模板法，通過滾筒對納米纖維漿料的旋轉(zhuǎn)冷凍和冰破碎，以及碎冰和漿料混合后的重新冷凍鑄造來大規(guī)模制備一種各向同性氣凝膠。高冷凍速率的旋轉(zhuǎn)滾筒冷凍和碎冰加入后的形成的多冰核生長位點能夠有效提高冷凍效率，從而提高了大尺寸多孔結(jié)構(gòu)材料的制備效率。該方法適用于多種納米纖維，為多孔結(jié)構(gòu)材料的大尺寸生產(chǎn)提供了新思路和新機遇（圖1）。

圖1. 碎冰模板法大規(guī)模制造氣凝膠的示意圖

該團隊通過熒光光學(xué)顯微鏡對碎冰模板法的冰晶生長規(guī)律進行了探究。冰晶升華后，納米纖維組裝的沿冰晶界面分布的胞腔結(jié)構(gòu)將得以保留。曲折和復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)將成為熱、電子或聲學(xué)傳輸?shù)挠行�屏障�?/span>

隨后該團隊以Al₂O₃·SiO₂納米纖維為研究對象，驗證了碎冰模板法的結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于形成了各向同性的胞腔結(jié)構(gòu)，所獲得的Al₂O₃·SiO₂納米纖維氣凝膠表現(xiàn)出低密度、超彈性、良好的耐損傷性和抗疲勞性，以及超低的熱導(dǎo)率。此外，在光學(xué)和熱導(dǎo)率方面也觀察到顯著的結(jié)構(gòu)各向同性。基于上述氣凝膠良好的機械柔性、高溫穩(wěn)定性和低熱導(dǎo)率，具有267.3 Wh kg⁻¹的高能量密度電池模塊中的破壞性熱失控傳播過程可以被5毫米厚的Al₂O₃·SiO₂納米纖維氣凝膠層有效阻擋。并且氣凝膠的低密度使得整個系統(tǒng)的重量增加可以忽略不計，因此該氣凝膠有望在各種熱保護場景中發(fā)揮巨大潛力。