■ 信息来源：中建八局科技
导 读
近日，由哈尔滨工业大学、东北林业大学、中建八局联合攻关研发的高屈曲纳米纤维陶瓷气凝胶USCA正式刊发。
研究概述
插图一览
图1 USCA结构设计
a) 极端条件下陶瓷气凝胶的隔热要求。
b) 通过有限元分析说明增强气凝胶可拉伸性的纤维结构设计。
图2 USCA仿生设计与合成
a) 爬山虎属及其屈曲卷须的照片(插图)。
b) 幼年和成熟阶段卷须的照片及其屈曲生物结构的示意图。
c) 双组份离轴静电纺丝法制备高屈曲纤维气凝胶的示意图。
d) 屈曲纳米纤维形成的有限元模拟。
e) 1 poly. & 1 solv.静电纺丝制备的直纳米纤维的SEM图像。
f) 2 poly. & 1 solv.静电纺丝制备的屈曲纳米纤维的SEM图像。
g) 2 poly. & 2 solv.静电纺丝制备的高度弯扭屈曲纳米纤维的SEM图像。
图3 USCA的材料表征
a,b) USCA的XRD和XPS结果。
c) 纳米纤维的SEM和高分辨TEM图像。
d) 证明了制备各种高度屈曲的陶瓷气凝胶的方法的普适性。
e) 通过MD模拟不同组成比的纳米纤维在300和1400 K下的断裂过程的快照。
f) 300 K下单根纳米纤维在单轴拉伸下的MD模拟的应力-应变曲线。
g) 不同组成比的单根纳米纤维的平均熵随拉伸应变的函数。
h) 1400 K下单根纳米纤维在单轴拉伸下的MD模拟的应力-应变曲线。
图4 USCA的拉伸性能
a) 应变高达150%的USCA和应变仅为11.4%的传统直纳米纤维陶瓷气凝胶的单轴拉伸。USCA在单轴拉伸下的实验快照(插图)。
b) USCA与其他纳米纤维陶瓷气凝胶相比的最大拉伸应变和极限应力。
c) 屈曲纳米纤维从其原始结构拉伸到应变>150%而没有断裂。
d) 不同Zr-Si摩尔比的陶瓷气凝胶在室温下的最大拉伸应变。
e) 应变为80%的拉伸疲劳抗力测试500次循环。
f) 不同单轴拉伸应变下USCA的近零ν。单轴拉伸下USCA近零ν行为的实验快照(插图)。
g) 原位SEM观察单轴拉伸过程中USCA的微观结构演变。
图5 USCA的热学性能
a) USCA在不同温度下的近零α和1000 °C (插图)下直纤维和高屈曲纤维的α的有限元模拟。
b) 在50%应变下的拉伸和恢复过程与丁烷喷枪火焰的热量。
c) USCA在100次急剧热冲击前后的机械性能。插图：USCA在一次热冲击中的红外图像。
d) USCA的热导率是拉伸应变从零到100% (空气中的稳态热测量)的函数。
e) 在零拉伸应变和50%拉伸应变下，USCA的热导率随着温度的变化而变化，表现出拉伸不敏感的隔热性能。d,e为κ的标准差误差条。
f) 单轴拉伸热防护用USCA的照片和红外图像。
g) 变形飞行器的示意图。
h) 变形机翼的结构。
i) 变形机翼模型在1000℃下USCA和传统陶瓷气凝胶(厚度约8mm)的隔热性能。
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