西安工程大学张坤《Nano Letters》：柔性陶瓷纳米纤维膜增强新方法

陶瓷纳米纤维膜以其轻量化、低导热系数、耐高温、耐腐蚀等优异性能在个体防护、航空航天、能源环保等诸多领域展现出巨大的应用前景。然而与大多数陶瓷材料一样，陶瓷纳米纤维材料通常具有脆性，存在可操作性差、弯曲形变时易断裂、机械稳定性差、工作温度区间有限等缺陷问题，极大制约了其实际应用。因此，开发具有足够柔韧性和机械强度的陶瓷纳米纤维材料具有十分重要的意义。

近日，西安工程大学张坤等报道了一种陶瓷纳米纤维膜增强技术，该技术采用原位交联复合方法将蒙脱土纳米片状晶体引入陶瓷纳米纤维膜中（图1），通过对微观结构进行精细调控及实验工艺优化，成功制备出了兼具良好力学强度和优异隔热防寒性能的陶瓷纳米纤维膜。

图1. MMT@ZrO2−SiO2纳米纤维膜的合成过程示意图

图2. MMT@ZrO2−SiO2和ZrO2−SiO2纳米纤维膜的微观结构表征：（a）MMT@ZrO2−SiO2纳米纤维膜正面的FE-SEM图像，（b）ZrO2−SiO2纳米纤维膜正面的FE-SEM图像，（c）MMT@ZrO2−SiO2纳米纤维膜截面的FE-SEM图像，（d）MMT@ZrO2−SiO2纳米纤维的TEM图像，（e-f）MMT@ZrO2−SiO2纳米纤维的STEM-EDS图像

该项技术利用大面积纳米片层结构稳固无规取向纳米纤维（图2），实现了纤维膜整体拉伸强度的显著提升（图3），有效解决了纤维膜在拉伸过程中纤维滑移造成拉伸强度较低的缺陷问题，可适用于增强无规取向排列的陶瓷纳米纤维膜材料。该技术不但显著提高了陶瓷纳米纤维膜的力学性能，而且实现了纤维膜隔热防寒性能的显著提升（图4），且纤维膜在极低（-196℃）及超高温（1000℃）条件下均表现出优异的柔韧性。在1000℃高温下，该柔韧陶瓷纳米纤维膜能有效保护人员避免烧伤及烫伤（图5）。该项研究提出的陶瓷纳米纤维膜增强策略，有望推动陶瓷纳米纤维材料在极端环境领域的实际应用。这一研究工作发表在国际知名学术期刊Nano Letters，毛雪博士为该论文第一作者，张坤副教授为通讯作者。

图3. MMT@ZrO2−SiO2和ZrO2−SiO2纳米纤维膜的力学及晶体结构表征：（a）MMT@ZrO2−SiO2和ZrO2−SiO2纳米纤维膜的应力-应变曲线，（b）MMT@ZrO2−SiO2和ZrO2−SiO2纳米纤维膜的，（c）MMT@ZrO2−SiO2和ZrO2−SiO2纳米纤维膜及MMT的XRD谱图

图4. MMT@ZrO2−SiO2和ZrO2−SiO2纳米纤维膜的隔热性能分析：（a）MMT@ZrO2−SiO2和ZrO2−SiO2纳米纤维膜置于108.8℃热台的红外成像图，（b）MMT@ZrO2−SiO2和ZrO2−SiO2纳米纤维膜置于-22℃冰面的红外成像图

图5. MMT@ZrO2−SiO2和ZrO2−SiO2纳米纤维膜的防护性能分析：（a）MMT@ZrO2−SiO2纳米纤维膜作为消防面料中间层的实物展示，（b）MMT@ZrO2−SiO2和ZrO2−SiO2纳米纤维膜的热防护性能曲线，（c）MMT@ZrO2−SiO2和ZrO2−SiO2纳米纤维膜的热防护性能数值，（d）MMT@ZrO2−SiO2纳米纤维膜的个体热防护性能展示

全文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02657

来源：高分子科学前沿

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