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中外高校联合开发出海绵陶瓷 隔火滤水像棉花糖

2017-06-13 19:53:50

科技日报6月13日报道,陶瓷以耐高温而闻名,但致命的缺点是一旦形状发生变化就会破裂。由清华大学,电子科技大学和美国布朗大学等组成的联合研究团队利用陶瓷纳米纤维制备出一种海绵状新材料,不仅超轻、耐热,其制备过程也快速经济,其应用范围从高温绝缘到水过滤等领域。其相关研究成果发表在近期的《科学·进展》上。

宏观纳米陶瓷材料成型

论文通讯作者,清华大学材料学院副教授伍晖接受科技日报记者采访时表示,纳米纤维一般通过静电纺丝或3D激光打印等工艺进行生产,前者不适合于将纳米纤维组建成为三维结构;后者则耗时较多,成本较高。

伍晖副教授

而研究团队使用了一种名为溶液吹纺的技术,通过气压推动陶瓷前驱体溶液通过微小的孔洞,拉伸为纳米纤维,并用一种多孔收集器将其收集组建成为海绵结构,加热除掉前驱体中的高分子与溶剂,最后得到一个由相互缠结的陶瓷纳米纤维组成的海绵。

这种新型材料可以像棉花糖一样又轻又软,被压缩50%后能够回弹到原来的体积,且不会被损坏——其他标准的陶瓷材料都不能做到。研究人员表示,这种性能来自于这种纤维的小尺寸。在纳米尺度上,裂纹和缺陷变得非常小,以至于激活并使它们扩展需要更多的能量。纳米尺度纤维同时也促进了形变机制,例如所谓的蠕变——其中原子可以沿着晶界扩散,从而使材料变形而不破裂。

论文共同第一作者,电子科技大学博士生王浩伦表示,在实验室测试中,将一片花瓣放置在由二氧化锆陶瓷制成的7毫米厚的海绵上,海绵底部以400℃加热10分钟后,花瓣仍完好无损,而用普通结构的陶瓷材料来隔热的话,花瓣早就焦了。即使加热到800℃,这个海绵也能保持其弹性。因此,该材料可用于制作消防服等耐热柔性绝缘材料。

不同材料海绵陶瓷400℃加热10分钟结果

由于二氧化钛陶瓷是已知的抗菌光催化剂(当其暴露于光照下时可以杀死微生物),因此用其制成的海绵也可用作可重复使用的水过滤器。试验表明,二氧化钛海绵可以在含有有机染料的水中吸收其重量的50倍。随后在光照下15分钟后,染料被该海绵降解,将其拧干后可再次使用。

王浩伦称,当代水过滤技术中所用的过滤材料大多是粉末状,难以重复利用,这种新型材料则具有便于回收和重复使用的优势。

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来源:科技日报 | 责任编辑:荀越
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