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中国科大研制仿北极熊毛发的隔热气凝胶
2019.06.13   点击81次

与人类或其他哺乳动物的毛发不同,北极熊的毛发是中空的。在显微镜下放大后,每一根毛发都存在空腔结构,这种中空的管状结构不仅降低了北极熊毛的密度,而且有利于减小热导率,阻隔热量从北极熊的皮肤表面扩散到周围的低温环境中,值得设计新型人工隔热材料效仿。

中国科学技术大学教授俞书宏领导的研?#23458;?#38431;受北极熊毛发中空结构的启发,发展了一种人工合成类北极熊毛的中空碳管气凝胶(CTA)的方法,该碳管气凝胶表现出超弹性和低的热导率。相关研究成果以Biomimetic Carbon Tube Aerogel Enables Super-Elasticity and Thermal Insulation 为题,于6月6日发表在《化学》上(Chem 2019,CHEMJOURNAL-D-19-00185R1)。论文的第一作者为博士研究生?#19981;?#23071;。

大自然历经了亿万年的发展和进化,其丰富的结构与种类值得人们去学习和发展。该团队利用一维纳米线作为模板,通过模板法制备宏观尺度的碳管气凝胶(图1)。由于其独特的微观结构,使该气凝胶材料表现出优异的轻质、隔热、疏水和机械性能(图2)。其密度最低可达到8 kg/m3,低于绝大多数已报道的隔热材料;它的接触角为146o,在56%的相对湿度下放置120天,仍然能保持热导率基本不变;由于中空碳管的内径(35纳米)远小于空气的平均自由程(75纳米),管内的空气几乎不会传递热量,因此碳管气凝胶具有很好的隔热性能,其最低热导率仅为23 mW m-1 K-1,低于干燥空气的热导率。

该碳管气凝胶具有宏观尺度的三维网络结构,因而具有超弹性,当自由落体的小钢球落在碳管气凝胶的表面?#20445;?#39640;回弹速度(1434 mm s-1),?#35789;?#22312;30%应变下压缩一百万?#20301;?#32773;90%应变下压缩一万次,碳管气凝胶仍然保持结构完整。研究人员还探究了其作为压阻式传感器的相关性质,在30%应变下压缩一万?#25105;?#21518;,它的相对电阻值基本不变。

这?#36136;?#21271;极熊毛发中空结构启发设计合成的新型碳管气凝胶?#22411;?#21487;满足极端条件下对高性能材料的需求,例如航天航空领域中应用的轻质隔热保温材料、弹性体材?#31995;取?/p>

该项研究受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、中科院前沿科学重点研究项目、中科院纳米科学卓越创新中心、苏州纳米科技协同创新中心等的?#25163;?/p>

 

图1. CTA的制备。(A)北极熊毛的结构;(B)示意图,表明用一维纳米线作为模板制备CTA的方法;(C)CTA的?#24178;?#22270;;(D)CTA在压缩形变为90%的条件下,压缩一万次的应力-应变曲线;(E)CTA在400℃热台上的热红外图像,表明良好的隔热能力。

 

图2. CTA的性能表征。(A)不同材料密度的?#21592;齲?B)不同材料热导率的?#21592;齲?C)不同材料回?#27492;?#24230;的?#21592;齲?D)CTA在压缩形变为30%的条件下,压缩一百万次的机械性能变化;(D)CTA在压缩形变为90%的条件下,压缩一万次的机械性能变化。

中国科学技术大学
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