天博“雪花”塑造“柔性陶瓷”—新闻—科学网
来源：天博企业
发表时间:
2024-04-08
2021年冬天，于清华年夜学从事玻士后研究事情的李磊正于研发一种全新的气凝胶制备要领，通例要领都用遍了，却没甚么本色进展。他以及伴侣习气性来到清华年夜学近春园溜达，这片降生《荷塘月色》的知名水池里，只要枯枝落叶于冰面上随风漂荡，冰面上还一小堆未化的雪，当眼光聚焦于雪堆以及冰面的接壤处，李磊获得了年夜天然的启迪。
冰面上的雪堆上热下冷，颠末重复冻融，雪化于冰里，冰包住了雪，而这一历程引发了气凝胶制备的灵感。因而，李磊开发一种范畴内创始制备气凝胶的要领，即碎冰模板法，可以年夜范围拆卸异性纳米纤维气凝胶。
近日，李磊的导师清华年夜学传授伍晖、北京年夜学研究员韦小丁、南京年夜学传授朱嘉、中北年夜学副传授李伟伟配合互助，使器具有普适性的、可控的碎冰模板法，将低维质料浆料冷冻于扭转的低温滚筒外貌上后将其破坏，然后将碎冰与浆料混淆从头冷冻锻造来年夜范围制备一种各向异性气凝胶。相干研究结果以《基在柱状晶到等轴晶改变的各向异性纳米纤维气凝胶的年夜范围拆卸》为题，揭晓在《天然-通信》期刊，李磊、周仪倩、高洋为论文配合第一作者。
“剑走偏锋”的研发路
1931年，美国粹者斯特勒使用超临界要领制备制患上世界第一款气凝胶，刚最先产物不只贵并且产量很小。百年韶光荏苒，气凝胶家族成员已经成长出几十种，它们以极低的密度、极小的孔径、极低的隔热系数、极低的声音流传速率等诸多长处而著名，多样化的产物情势使其运用越发矫捷广泛，遍布石化、兵工、航天、电池、环保、修建、交通等各个范畴。
于导师的引导下，李磊想摸索制备陶瓷质料纤维气凝胶新要领，这种气凝胶身分以及陶瓷同样，最轻的只要每一立方厘米0.6毫克重，可以鹄立于蒲公英的顶端，并且另有精良的柔性、高温不变性以及低热导率，集四种特征在一身。
原来，陶瓷质料纤维气凝胶除了了一些非凡用途以外，公共其实不甚相识，一样平常糊口也用不着，但跟着电动汽车的倏地成长以及普及，气凝胶成为动力电池包的主要构成部门，更加遭到存眷。
李磊有着很较着的感触感染，陪同着电动汽车的突起，气凝胶的科研进展也是突飞大进，我国于气凝胶科研以及出产范畴实力已经经跃居领先职位地方。
可是相干研发仍旧没有停息，一方面是外洋专利壁垒的限定，致使我国企业出产的气凝胶难以走出国门，急需拥有全新专利的产物，别的一方面是本来的超临界法耗能高、产量低、价格高，需要革新。
伍晖暗示，把微不雅布局拆卸成可以年夜范围打造、年夜尺寸成型的轻质宏不雅体质料，是主要的科学应战，也是年夜量现实运用以及财产界都面对的共性问题。
“荷塘月色”开导灵感
与传统的超临界要领差别，李磊一最先就使用本身课题组更擅长的冷冻合成法试水，成果略显遗憾，老措施终于没能降生新颖迹。出产出来的气凝胶没无力学机能，一碰就散，随风飘动。实在，传统冷冻手腕太单1、冰晶生长不成控的错误谬误很较着，明知道问题于哪里，可是却想不出更好的措施。
每一年下雪后，树坑里的雪堆时间长了就再也不松软，踩上去硬梆梆，险些酿成一块冰，当这北方最多见的征象忽然呈现于李磊的视野里时，于他脑中萦绕的冰晶布局不不变的繁杂问题住手了运行。
李磊脑海迅速回放了近来几十天这堆雪是怎样从蓬松变为硬实的历程。久久无人清算的雪堆颠末重复熔化以及冰冻，冰晶的边沿实现了交融，削减了漏洞，加固了整个质料的布局，这也就是雪堆时间长了之后踩不动的缘故原由。
今后，李磊的实验速率突飞大进，他们把新成长的碎�첩冰模板法工艺描写为一种动态冷冻要领。试验室里，李磊操控着手掌巨细的低温鼓，将它的转速节制于每一分钟50转，刮板举高3毫米，淋于低温鼓上的浆液迅速冷冻，又被切确切割为碎冰晶。“这一步，与夏日冰镇饮品的做法颇为近似”，李磊又把碎冰晶与纤维溶液混淆搅拌，颠末零下20摄氏度低温冷冻干燥以及600摄氏度高温煅烧等繁杂步调，才终极制造出纯有机气凝胶。“说它是胶也行，称为海绵更适合，身分以及陶瓷同样，可是却松软有弹性，这就是纳米质料的神奇的地方”
冰块切雪花，再压实成为冰块，看似“节外生枝”，实则是“要害一招”。由于平板冷冻效率过低，冰晶生长厚度有上限，而动态冷冻天生的质料热通报效率更高，生长厚度没有限定。
“别的，持续扭转冷冻可以节制冰晶的孕育发生标的目的，调控气凝胶微不雅布局，颗粒直径极小的铝硅酸盐借助冰晶的生长，被塑造为抱负的布局，天生了近似海绵的布局，”李磊说。以后，经由过程与中北年夜学副传授李伟伟互助举行计较流体动力学仿真，也确凿证明了扭转冷冻于制备碎冰中表现出高能量通报效率。
新的碎冰制备不只速率快，不容易发生颗粒沉降，还做出了传统要领难以到达的年夜型尺寸。
伍晖但愿这类技能能被更多人运用，加速市场推广，并且这类制备工艺具有相容性，可以拓展到聚丙烯腈纳米纤维、芳纶纳米纤维、纤维素纳米纤维以及碳纳米管等质料，具备较高的运用价值。
“防火墙”阻断自燃
电动汽车的飞速成长一直绕不开一个保险问题——电池爆燃。仅2021年，中国就发生了3000多起的电动汽车动怒变乱。电池动怒是电动汽车自燃最重要的缘故原由，致使电池热掉控的泉源是电池内部一系列繁杂且彼此联系关系的“链式副反映”，从局部短路到年夜面积短路，热掉控流传像多米诺骨牌坍毁同样迅速伸张到整个体系。
为此，隔热机能出众的气凝胶被引进到电池动力厂商，为每一个自力的电池安装“防火墙”。是否是真能阻断“链式副反映”，李磊模仿了一次报酬引诱热掉控流传历程。
试验室里，李磊为4块满充状况的53Ah三元八系高镍动力电池都设备了超薄“防火墙”，加热板把最外层的电池加热到200℃，进而激发了电池内部短路，温度最高升至875℃，陪同着电压消散，电池逐渐膨胀，开释浓烟充满了整个试验室，火星朝着周围溅射，于红皮毛机以及8个丈量温度的热电偶的见证下，被气凝胶掩护起来的相邻电池的开路电压一直连结不变，外貌温度未到达热掉控流传的触发温度200 ℃。而没有“防火墙”的电池于一样的实验前提下被逐个点燃。
李磊说，从身分看，陶瓷纤维身分是铝硅酸盐，自己就有具备高热不变性以及化学不变性，不容易动怒。从疲惫测试成果来看，1000次压缩轮回后也没有较着毁坏，于蒙受30%至90%的压缩应变后可以彻底恢复到原始状况。从电池燃烧试验成果看，5毫米厚的陶瓷纤维气凝胶可以彻底制止粉碎性热掉控流传，并且它的低密度特征，险些没有给整个电动体系增长承担。
试验室产出的超细陶瓷纤维持久耐温性为1200℃，于超等绝热质料中最高，远高在电池动怒时800℃的温度。
伍晖暗示，从非凡范畴再到平常黎民家，高端质料的普及以及量产需要从试验室走出来，运用于国平易近经济真正需要之处。面向将来，基在陶瓷纤维的绝热质料可认为应答电网储能体系的保险应战，开发进步前辈轻量化电池体系提供更年夜帮忙。
李磊从玻士后的履历学到了，需要跨学科的目光以及思索，时时时“革”本身的命。一份自我评价还不错的结果，作为本身玻士后履历的记念，李磊收拾美意情回到了攻读玻士的母校北京理工年夜学，开启了命题、开导、破题的下一个循环。
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