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国乒奥运混双摘银 科研进展 氮化硼气(qi)凝胶薄膜及其(qi)相(xiang)变复(fu)合材(cai)...
科研进展

氮化硼气凝胶薄膜及其相变复合材料获重要进展

发布(bu)日期:2019-10-20 浏览次(ci)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。

  为实现气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)材料(liao)的(de)(de)(de)(de)轻薄(bo)化(hua)设计,中科院苏州纳(na)米所(suo)张(zhang)学(xue)(xue)同(tong)研究员团队(dui)(dui)和(he)海南大学(xue)(xue)廖建和(he)教授团队(dui)(dui)合作,寻找到一种可(ke)切割(ge)(ge)、可(ke)压缩的(de)(de)(de)(de)气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)前驱体,进(jin)而(er)发展出(chu)一种简易(yi)的(de)(de)(de)(de)气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)轻薄(bo)化(hua)设计方法。通过(guo)水-叔丁醇共溶(rong)剂体系,调控硼(peng)酸与三聚氰胺(an)的(de)(de)(de)(de)氢键组装,获得由(you)纳(na)米带(dai)相(xiang)互缠绕、搭(da)接(jie)而(er)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)三聚氰胺(an)-二硼(peng)酸盐(M·2B)气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)块(kuai)体材料(liao)。该气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)块(kuai)体具备可(ke)切割(ge)(ge)、可(ke)压缩等特征,具有良好的(de)(de)(de)(de)可(ke)加工性能。经过(guo)简易(yi)的(de)(de)(de)(de)切割(ge)(ge)、压缩及后续的(de)(de)(de)(de)高温(wen)(wen)热(re)解,成(cheng)功获得柔性、自(zi)支撑的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)化(hua)硼(peng)气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)薄(bo)膜,如图1所(suo)示(shi)(shi)。通过(guo)工艺参数(shu)调控,能够有效实现对氮(dan)(dan)化(hua)硼(peng)气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)薄(bo)膜厚度、密(mi)度、形状及尺寸的(de)(de)(de)(de)调控,且(qie)所(suo)得氮(dan)(dan)化(hua)硼(peng)气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)薄(bo)膜在室温(wen)(wen)、液氮(dan)(dan)及火焰中,均(jun)可(ke)弯曲,表现出(chu)良好的(de)(de)(de)(de)力学(xue)(xue)柔性,如图1所(suo)示(shi)(shi)。

图(tu)1 三聚(ju)氰胺-二(er)硼(peng)酸盐气凝胶块体材料(liao)的可切割性(a-c)、可压缩性(d),氮(dan)化(hua)硼(peng)气凝胶薄膜的力学柔性(c-g)及微观形貌(h-i)。

      此外,以上述氮化(hua)(hua)(hua)硼(peng)气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)薄膜(mo)作(zuo)为支撑(cheng)材料,成(cheng)功(gong)获得氮化(hua)(hua)(hua)硼(peng)气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)相(xiang)变(bian)(bian)薄膜(mo)。得益(yi)于气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)自身所具(ju)有(you)的(de)显著毛细(xi)作(zuo)用力,能(neng)够有(you)效(xiao)束缚并限域(yu)熔(rong)融态的(de)有(you)机固-液相(xiang)变(bian)(bian)材料,防止熔(rong)融态相(xiang)变(bian)(bian)材料泄露。所得氮化(hua)(hua)(hua)硼(peng)气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)薄膜(mo)表现出良好(hao)的(de)形状稳定(ding)性(xing);所得氮化(hua)(hua)(hua)硼(peng)气(qi)凝(ning)(ning)胶(jiao)(jiao)相(xiang)变(bian)(bian)复合(he)薄膜(mo)具(ju)有(you)高相(xiang)变(bian)(bian)焓值,并具(ju)有(you)优于目前商(shang)业化(hua)(hua)(hua)柔性(xing)相(xiang)变(bian)(bian)材料的(de)热导率,如图2所示。

图2 不同温度下氮化硼气凝(ning)胶相变复合薄膜的光学照片(a)、薄膜的微观(guan)形貌(b-d)及热性(xing)能(neng)(e-g)。

      气凝(ning)胶及(ji)其(qi)相变(bian)复合(he)(he)(he)材料具有(you)(you)以下热(re)(re)(re)控(kong)(kong)管理潜(qian)能(neng)(neng):1)气凝(ning)胶薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)具有(you)(you)低导热(re)(re)(re)率、轻薄(bo)(bo)等(deng)特征(zheng),可(ke)实(shi)现限域空间(jian)内热(re)(re)(re)量的(de)(de)(de)隔绝;2)气凝(ning)胶相变(bian)复合(he)(he)(he)薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)能(neng)(neng)够(gou)在温度变(bian)化的(de)(de)(de)环境中,可(ke)逆的(de)(de)(de)吸收或释放热(re)(re)(re)量,并(bing)维持自身温度相对(dui)恒(heng)定,实(shi)现对(dui)热(re)(re)(re)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)限域与调制。研究者初步探(tan)究了氮(dan)化硼气凝(ning)胶薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)及(ji)其(qi)相变(bian)复合(he)(he)(he)薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)在先进电子(zi)系统(tong)(如(ru)便携式(shi)、可(ke)穿戴、5G等(deng))多元化热(re)(re)(re)控(kong)(kong)管理中的(de)(de)(de)可(ke)行性(xing),并(bing)以此提出(chu)了基于隔热(re)(re)(re)与热(re)(re)(re)能(neng)(neng)调制的(de)(de)(de)两种热(re)(re)(re)控(kong)(kong)管理策略及(ji)其(qi)应(ying)用形式(shi)与场景,如(ru)图3所(suo)示。气凝(ning)胶薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)及(ji)相变(bian)复合(he)(he)(he)薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)能(neng)(neng)够(gou)有(you)(you)效改变(bian)和调控(kong)(kong)热(re)(re)(re)流(liu)的(de)(de)(de)传输方(fang)向,阻止热(re)(re)(re)量向附近(jin)生物组织及(ji)其(qi)他功能(neng)(neng)单元扩散,为电子(zi)系统(tong)提供(gong)舒适的(de)(de)(de)运行环境,并(bing)为使用电子(zi)器(qi)件的(de)(de)(de)人体提供(gong)舒适的(de)(de)(de)佩(pei)戴或使用环境。

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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