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狐妖小红娘 科研进展 氮化硼气(qi)凝胶薄膜及(ji)其相变复合(he)材(cai)...
科研进(jin)展

氮化硼气凝胶薄膜及其相变复合材料获重要进展

发(fa)布日(ri)期(qi):2019-10-20 浏(liu)览次数: 【关闭】

       气凝胶是一种具有三维多孔网络结构的超轻固体材料,具有超低热导率,能够作为一种超级隔热材料,在航天航空、建筑节能、电动汽车及便携式电子设备等领域发挥重要作用。然而,目前大部分气凝胶均为宏观块体形态,不具备纤细、轻薄、柔长等特征。另一方面,气凝胶材料自身所具有的弱力学强度,使得其后加工(如切割、压缩)相对困难。因此,对于气凝胶低维宏观形态的设计依旧具有一定的挑战性,制约了气凝胶材料在限域空间热量管理的功能发挥,如未来新兴的5G便携式/可穿戴电子系统的实际热控需求。

  为实现(xian)气(qi)(qi)(qi)凝(ning)胶(jiao)材料的(de)(de)(de)(de)轻薄(bo)(bo)化(hua)设(she)计(ji),中科(ke)院苏州纳(na)米(mi)所(suo)张学(xue)同研(yan)究(jiu)员团(tuan)队和海南大学(xue)廖(liao)建和教授团(tuan)队合(he)作,寻找到一种可切(qie)割、可压缩(suo)的(de)(de)(de)(de)气(qi)(qi)(qi)凝(ning)胶(jiao)前驱体(ti),进而(er)发展出一种简易的(de)(de)(de)(de)气(qi)(qi)(qi)凝(ning)胶(jiao)轻薄(bo)(bo)化(hua)设(she)计(ji)方法。通(tong)(tong)过(guo)水-叔(shu)丁醇共溶剂体(ti)系,调(diao)控硼(peng)酸(suan)与(yu)三聚(ju)氰胺(an)(an)的(de)(de)(de)(de)氢键(jian)组装,获得(de)(de)(de)由(you)纳(na)米(mi)带(dai)相互缠绕、搭接而(er)成的(de)(de)(de)(de)三聚(ju)氰胺(an)(an)-二(er)硼(peng)酸(suan)盐(yan)(M·2B)气(qi)(qi)(qi)凝(ning)胶(jiao)块体(ti)材料。该气(qi)(qi)(qi)凝(ning)胶(jiao)块体(ti)具备可切(qie)割、可压缩(suo)等特征,具有(you)良好的(de)(de)(de)(de)可加(jia)工性能(neng)。经过(guo)简易的(de)(de)(de)(de)切(qie)割、压缩(suo)及(ji)后续的(de)(de)(de)(de)高(gao)温热解(jie),成功获得(de)(de)(de)柔性、自支撑的(de)(de)(de)(de)氮(dan)化(hua)硼(peng)气(qi)(qi)(qi)凝(ning)胶(jiao)薄(bo)(bo)膜,如(ru)图1所(suo)示。通(tong)(tong)过(guo)工艺参数调(diao)控,能(neng)够有(you)效实现(xian)对氮(dan)化(hua)硼(peng)气(qi)(qi)(qi)凝(ning)胶(jiao)薄(bo)(bo)膜厚(hou)度(du)、密度(du)、形状(zhuang)及(ji)尺寸的(de)(de)(de)(de)调(diao)控,且所(suo)得(de)(de)(de)氮(dan)化(hua)硼(peng)气(qi)(qi)(qi)凝(ning)胶(jiao)薄(bo)(bo)膜在室温、液氮(dan)及(ji)火焰(yan)中,均可弯曲,表现(xian)出良好的(de)(de)(de)(de)力学(xue)柔性,如(ru)图1所(suo)示。

图1 三(san)聚氰胺-二硼酸(suan)盐气(qi)凝(ning)(ning)胶块(kuai)体材料的(de)(de)可切割性(xing)(a-c)、可压缩性(xing)(d),氮化硼气(qi)凝(ning)(ning)胶薄膜的(de)(de)力学柔性(xing)(c-g)及微观形貌(h-i)。

      此(ci)外,以上(shang)述氮化硼(peng)气(qi)凝(ning)胶薄(bo)(bo)膜(mo)作为支撑材(cai)料(liao)(liao),成功获(huo)得(de)氮化硼(peng)气(qi)凝(ning)胶相(xiang)(xiang)(xiang)变(bian)薄(bo)(bo)膜(mo)。得(de)益于气(qi)凝(ning)胶自身所(suo)具有(you)(you)(you)的显(xian)著毛细作用力,能够有(you)(you)(you)效束缚并(bing)限域(yu)熔融态的有(you)(you)(you)机固(gu)-液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)变(bian)材(cai)料(liao)(liao),防(fang)止熔融态相(xiang)(xiang)(xiang)变(bian)材(cai)料(liao)(liao)泄(xie)露。所(suo)得(de)氮化硼(peng)气(qi)凝(ning)胶薄(bo)(bo)膜(mo)表现出良好的形(xing)状稳(wen)定性;所(suo)得(de)氮化硼(peng)气(qi)凝(ning)胶相(xiang)(xiang)(xiang)变(bian)复合薄(bo)(bo)膜(mo)具有(you)(you)(you)高相(xiang)(xiang)(xiang)变(bian)焓值,并(bing)具有(you)(you)(you)优(you)于目前商业化柔性相(xiang)(xiang)(xiang)变(bian)材(cai)料(liao)(liao)的热导率,如图2所(suo)示(shi)。

图2 不(bu)同温度(du)下氮化硼气(qi)凝胶相变复合(he)薄膜的光学照(zhao)片(a)、薄膜的微观(guan)形(xing)貌(b-d)及热性能(neng)(e-g)。

      气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)及(ji)其(qi)相(xiang)(xiang)变(bian)复合(he)材料具有(you)以(yi)下热(re)(re)(re)控管理潜(qian)能:1)气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)薄(bo)(bo)膜具有(you)低导热(re)(re)(re)率、轻薄(bo)(bo)等(deng)(deng)特征,可(ke)实现(xian)限域空(kong)间内(nei)热(re)(re)(re)量(liang)的(de)隔绝;2)气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)相(xiang)(xiang)变(bian)复合(he)薄(bo)(bo)膜能够(gou)在温(wen)度变(bian)化的(de)环(huan)境(jing)中(zhong)(zhong),可(ke)逆的(de)吸(xi)收或释放热(re)(re)(re)量(liang),并(bing)维(wei)持自身温(wen)度相(xiang)(xiang)对恒定,实现(xian)对热(re)(re)(re)能的(de)限域与调(diao)(diao)制。研究(jiu)者初步探究(jiu)了(le)氮化硼(peng)气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)薄(bo)(bo)膜及(ji)其(qi)相(xiang)(xiang)变(bian)复合(he)薄(bo)(bo)膜在先进电(dian)(dian)子系(xi)统(如便(bian)携式、可(ke)穿戴、5G等(deng)(deng))多元(yuan)化热(re)(re)(re)控管理中(zhong)(zhong)的(de)可(ke)行性,并(bing)以(yi)此提出(chu)了(le)基于(yu)隔热(re)(re)(re)与热(re)(re)(re)能调(diao)(diao)制的(de)两种热(re)(re)(re)控管理策略及(ji)其(qi)应用(yong)形式与场(chang)景(jing),如图3所示。气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)薄(bo)(bo)膜及(ji)相(xiang)(xiang)变(bian)复合(he)薄(bo)(bo)膜能够(gou)有(you)效(xiao)改变(bian)和调(diao)(diao)控热(re)(re)(re)流(liu)的(de)传输方向,阻止热(re)(re)(re)量(liang)向附近生物组织及(ji)其(qi)他(ta)功能单元(yuan)扩散(san),为(wei)电(dian)(dian)子系(xi)统提供舒适(shi)的(de)运行环(huan)境(jing),并(bing)为(wei)使用(yong)电(dian)(dian)子器件的(de)人体提供舒适(shi)的(de)佩(pei)戴或使用(yong)环(huan)境(jing)。

图3 气凝胶薄膜及相变复合薄膜在便携式电子系统中的热管理示意图。
      该研究工作为气凝胶材料的轻薄化设计及限域空间内热能的多元化管理提供了理论支持及引导,有望在未来先进的5G便携式电子设备中实现热控管理的多元化应用。
  相关成果以“Nanoporous Boron Nitride Aerogel Film and Its Smart Composite with Phase Change Materials”为题发表在国际著名期刊ACS Nano上。硕士研究生王伯珑、博士李广勇为论文共同第一作者,中科院苏州纳米所张学同研究员与海南大学廖建和教授为论文共同通讯作者。该论文工作获得了国家重点研发计划、英国皇家学会-牛顿高级学者基金的资助。
  论文链接:http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.0c05931





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