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摩登陶瓷海绵耐压又耐热,地工学家用皮米技巧
分类:科学发明

新型陶瓷海绵耐压又耐热

陶瓷通常又硬又脆,跟海绵完全扯不上关系。美国和中国科学家*近合作,利用纳米纤维制造出一种陶瓷“海绵”,它可压缩变形,并且能耐高温、隔热性好,有着广泛的潜在用途。 美国布朗大学日前发布的新闻公报说,这一成果是由布朗大学与中国清华大学合作取得的,可望低成本、大规模生产纳米陶瓷“海绵”,用于制造新型隔热材料、净水材料等。相关论文发表在美国《科学》杂志的子刊《科学进展》上。 普通陶瓷上的裂纹会迅速扩大,轻微变形就可能使整块陶瓷破碎。但在纳米尺度上,材料特性会发生巨大变化,以陶瓷纳米纤维制成的物品可以很柔韧。不过,目前制造纳米纤维的主要方法要么不适用于陶瓷,要么成本高昂而且费时间。 研究小组采用了一种被称为“溶液喷射纺丝”的技术,利用气体压力使包含陶瓷材料的溶液从极细的针孔中喷出,凝固成纳米尺度的丝线。把这些丝线收集起来加热,去除溶剂材料,剩下的就是绕成一团的陶瓷纤维,外观看上去像棉球。 研究人员用多种不同类型的陶瓷材料成功制成“海绵”,试验发现它们的可压缩性很好,能耐800摄氏度高温,而且高度隔热。把花瓣放在7毫米厚的氧化锆陶瓷海绵上,下面以400摄氏度加热10分钟,花瓣仍完好无损,而用普通陶瓷材料隔热,花瓣早就烧焦了。

即使加热到800℃,这个海绵也能保持其弹性。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7mm厚的海绵上。将该海绵的底部加热至400℃达10分钟后,这片花瓣都几乎没有枯萎。相比之下,放置在其他多孔陶瓷材料样品上的花瓣在相同条件下都被烧焦了。

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。前者不适用于陶瓷,而后者则耗费较多时间和成本。现在,科学家们使用了一种名为溶液吹纺的技术,这种方法是使用气压推动含陶瓷原料的溶液通过一个微小的孔洞。当液体从该孔洞出来时,就会凝固成纤维。将这些纤维收集在纺丝装置上,然后进行加热以除掉溶剂。最后得到一个由缠结的陶瓷纳米纤维组成的棉球状海绵。

《中国科学报》 (2017-06-08 第6版 前沿)

美国布朗大学的研究人员表示,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。

这些海绵在被压缩50%后能够回弹到原来的体积——其他标准的陶瓷材料都不能做到。研究人员将这种属性归功于这种纤维的小尺寸。

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虽然陶瓷以能够承受高温而闻名,但它们的脆弱也“声名在外”——它们在发生形变时通常会破裂。然而,由美国布朗大学和清华大学的科学家开发的一种用陶瓷纳米纤维制成的海绵状新材料却并非如此,其可用于从高温绝缘到水过滤等领域。

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。

研究人员认为,这种海绵还可以用作耐热柔性绝缘材料,例如可以用于消防员的衣服。

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