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清華大學伍暉教授團隊開發一種基于碎冰冷凍干燥的大規模超細陶瓷纖維氣凝膠最近，清華大學材料學院伍暉教授團隊開發了一種具有普適性的、可控的碎冰模板法，通過滾筒對納米纖維漿料的旋轉冷凍和冰破碎，以及碎冰和漿料混合后的重新冷凍鑄造來大規模制備一種各向同性氣凝膠。高冷凍速率的旋轉滾筒冷凍和碎冰加入后的形成的多冰核生長位點能夠有效提高冷凍效率，從而提高了大尺寸多孔結構材料的制備效率。該方法適用于多種納米纖維，為多孔結構材料的大尺寸生產提供了新思路和新機遇（圖1）。
圖1. 碎冰模板法大規模制造氣凝膠的示意圖 該團隊通過熒光光學顯微鏡對碎冰模板法的冰晶生長規律進行了探究。冰晶升華后，納米纖維組裝的沿冰晶界面分布的胞腔結構將得以保留。曲折和復雜的孔隙結構將成為熱、電子或聲學傳輸的有效屏障。
圖2. 單向冷凍(上)和碎冰鑄造(下)過程冰晶生長的示意圖
圖3. 不同碎冰比例下使用光學熒光顯微鏡對碎冰冷凍進行原位觀察 隨后該團隊以Al2O3·SiO2納米纖維為研究對象，驗證了碎冰模板法的結構設計。由于形成了各向同性的胞腔結構，所獲得的Al2O3·SiO2納米纖維氣凝膠表現出低密度、超彈性、良好的耐損傷性和抗疲勞性，以及超低的熱導率。此外，在光學和熱導率方面也觀察到顯著的結構各向同性�；谏鲜鰵饽z良好的機械柔性、高溫穩定性和低熱導率，具有267.3 Wh kg−1的高能量密度電池模塊中的破壞性熱失控傳播過程可以被5毫米厚的Al2O3·SiO2納米纖維氣凝膠層有效阻擋。并且氣凝膠的低密度使得整個系統的重量增加可以忽略不計，因此該氣凝膠有望在各種熱保護場景中發揮巨大潛力。
圖4. 陶瓷納米纖維氣凝膠的熱物理和力學性能
圖5. 陶瓷納米纖維氣凝膠對熱失控的阻斷紅外圖像 |
