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跟海绵一样的陶瓷,能屈能伸还隔热

来源:环球科学 发布于2017/06/19

  上周五,发表在《科学进展》上一项研究表明,清华大学和布朗大学的研究员制作一种酷似海绵的陶瓷,既可以像海绵一样变形,也能像陶瓷一样隔热。有望用于消防服、水清洁领域。
  当你把这种海绵陶瓷放在一片毛茸茸的树叶上时,它可以借由超轻的特性来保持平衡。不仅如此,它也能像一颗柔软的棉花糖一样被压扁,但很快又能恢复原状。同时,它也具有很好的隔热效果。
  像生产棉花糖一样生产陶瓷
  陶瓷作为一种强度高的材料,广泛应用于制造业,用来生产各种各样的产品。但陶瓷有一个问题,就是太脆了。最近,研究人员发明出一种能弯曲的陶瓷,同时具有储热、放热、高韧性等特点,可以用来制造新型防护服。
  不同于坚硬的传统陶瓷,当你挤压这种柔软的新型材料时,它会被压扁,当外力移除后,它又会反弹恢复原样,没有任何破坏。
  另外,这种新材料本身就是聚集形成的——通过将轻型纳米纤维嵌入到海绵中混纺制成。不同于成本昂贵、费时的3D打印或静电纺丝,清华大学的研究人员们发明了一种新的生产方法:将陶瓷溶液从微小的喷丝孔喷射到一个旋转纺织箱中,溶液形成的细丝缠绕包裹在一起,就像在制作一个轻盈、蓬松的棉花糖一样。
  文章的通讯作者高华建博士表示,这项研究旨在研制出一种同时具备耐高温和可变形特性的新型材料。高解释说:“这种材料是通过将轻型纳米纤维嵌入到海绵中混纺制成,成本低廉、生产规模可调整,工业化生产容易。”
  耐热的棉花糖
  工程师们用几种不同的陶瓷材料来制备这种特殊的海绵陶瓷,包括二氧化钛和二氧化锆。众所周知,这些陶瓷材料具有良好的绝热性。接下来,研究人员决定测试它们的耐热性。
  在这项实验中,研究人员将花瓣放到铁、氧化铝泡沫、新型二氧化锆陶瓷海绵等不同的材料上面。经过底部的发热元件加热,实验温度达到400摄氏度。加热10分钟后,其他材料上面的花瓣都变得很脆,唯独陶瓷海绵上面的花瓣只是稍微枯萎,而且,在花瓣和热板之间的陶瓷海绵厚度仅为7毫米。

研究人员将花瓣放在不同的材料,并将其暴露于752华氏度。陶瓷上的花瓣(最右)受到了保护

  消防服和净水海绵
  不仅如此,在经过1小时的加热后,陶瓷海绵顶部的温度仅上升到200华氏度。研究人员希望耐热性可以使这种材料成为良好的隔热体,甚至可以用于制作消防员的防护服。对于后者,重量、柔韧性和耐热性都至关重要。
  之前已经有人研制出可弯曲的耐热陶瓷,然而,这种材料更多被制成薄片而不是棉花球的形状,而且往往只应用于电子设备。这是研究人员首次制作出能像海绵一样形变的隔热陶瓷材料。
  这种陶瓷海绵材料还具有良好的通透性:二氧化钛陶瓷海绵在水中可以容纳自身50倍的重量,它可以通过与阳光反应去除水中的微粒,起到净水作用。在许多现代的水过滤技术中,二氧化钛以粉末的形式来去除水中的污染物,但难以重复利用。但现在,这种新型海绵在光照条件下仅需15分钟就能将人造染料分解完毕,挤出干净的水后,海绵可以再次利用。
  这项研究证明,这种海绵陶瓷在制备工艺上是可行的,但在商业化和实际应用之前仍需要更多工作。也许只要一段时间后,你才能看到这种新型海绵和家用清洁海绵一同放在超市的货架上。

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