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用于柔性绝缘体与水体净化的新型陶瓷纳米纤维“海绵”
2019/5/9 9:43:12 材料科技在线 0 条评论 邀请点评

  陶瓷材料在形变时往往会发生断裂,但最新的研究结果提出了使用超薄陶瓷纳米纤维来制造海绵,这种海绵在耐热材料领域具有广泛的潜在用途。研究人员开发了一种由陶瓷纳米纤维制成的海绵状材料。该材料不仅保持了陶瓷的耐热性,同时也具有较强的塑性,这是大多数陶瓷材料不能做到的。

  布朗大学工程学院教授、本研究课题通讯作者高华建说:“我们试图找到一种能够制造高塑性且耐高温材料的方法,这是一个基本的科学问题。本文表明,我们可以通过将陶瓷纳米纤维缠结成海绵状来解决这一难题,而且这种方法造价低,并且具有扩展性,适合量产。广东11选5开奖结果这项工作是由布朗大学高华建教授的实验室、清华大学吴慧和李小燕所在实验室共同合作展开的,他们的研究成果在Science Advances杂志上发表。

  每一位摔过花瓶的人都知道,陶瓷是脆性材料。陶瓷材料产生的裂纹传播速度很快,有时即使是轻微变形都会导致灾难性的破坏。尽管所有的传统陶瓷都是这样,但我们换个角度,如果在纳米尺度上来探索,陶瓷性质则会有一些不同。

  高教授表示:“在纳米尺度上,裂缝和缺陷变得非常小,以致需要更多的能量才能激活并使其发生扩展。同时纳米尺度的纤维还能够提高变形机制,例如蠕变。在蠕变过程中,原子可以沿着晶界扩散,从而使材料变形但不发生断裂。

  正是由于纳米尺度的动力学特点,由陶瓷纳米纤维制成的材料具有良好的柔性及塑性,同时还具有优良的耐热性,这使得陶瓷产品可以在高温下使用。但是问题在于这种材料很难制备。静电纺丝是人们经常使用的一种制造纳米纤维的方法,但这种方法却不适用于陶瓷。另一个潜在的制造方法就是3-D激光打印,但这种方法造价高且消耗时间长。

  因此研究人员采用了一种叫做溶液吹纺的方法。这种方法是由吴教授在清华的实验室开发的。该方法利用空气压力将含有陶瓷材料的液体加压,使其溶液穿过微小的注射器孔。当液体从注射器孔挤出时,它迅速凝固成纳米级的纤维,这些纤维被收集在纺丝笼中。然后将所收集的材料加热,以消除溶剂材料,留下大量相互缠结的陶瓷纳米纤维,这些纤维就如棉球一般。

  研究人员使用这种方法,采取不同类型的陶瓷来制造海绵,并且发现这些材料都具有一些显著的性能。例如,海绵在压缩应变达到50%后依然能够反弹,传统陶瓷材料却不能做到这一点。而且这种海绵可以在高达800摄氏度的温度下依旧保持弹性。

  研究还表明,这种海绵具有显著的高温绝缘能力。在一个实验中,研究人员将花瓣放在由二氧化钛(普通陶瓷材料)纳米纤维制成的7mm厚的海绵上。将海绵底部加热至400摄氏度并保持10分钟后,放在上部的花瓣几乎没有枯萎。 同时,在相同条件下,放置在常规多孔陶瓷材料上的花瓣被烧成了脆片。高教授说,海绵的耐热性及其塑性使得它们在柔性绝缘材料方面具有巨大的潜力。例如,这种材料可以用作消防员服装表面的绝缘层。

  该种材料在净化水源方面也有不小的潜力。众所周知,二氧化钛是用于分解有机分子的光催化剂,它可以杀死水中的细菌和其他微生物。研究人员表明,二氧化钛海绵可以在含有机染料的水中吸收达到自身重量50倍的水。在光照下,海绵能够在15分钟内将染料完全降解。将海绵拧干,它们就可以被重新使用,而通常用于水净化的二氧化钛粉末只能一次性使用。

  除此之外,研究人员还没有想到陶瓷海绵的其他应用。吴教授来自清华大学,是这篇文章的另外一位通讯,他说:“因为我们用于制造这些产品的方法是非常灵活的,它可以用于各种各样的陶瓷材料,所以我们认为其有巨大的潜在应用前景。”

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文章关键词: 过滤吸附 , 静电纺丝
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