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清华大学伍晖教授团队开发一种基于碎冰冷冻干燥的大规模超细陶瓷纤维气凝胶最近，清华大学材料学院伍晖教授团队开发了一种具有普适性的、可控的碎冰模板法，通过滚筒对纳米纤维浆料的旋转冷冻和冰破碎，以及碎冰和浆料混合后的重新冷冻铸造来大规模制备一种各向同性气凝胶。高冷冻速率的旋转滚筒冷冻和碎冰加入后的形成的多冰核生长位点能够有效提高冷冻效率，从而提高了大尺寸多孔结构材料的制备效率。该方法适用于多种纳米纤维，为多孔结构材料的大尺寸生产提供了新思路和新机遇（图1）。
图1. 碎冰模板法大规模制造气凝胶的示意图 该团队通过荧光光学显微镜对碎冰模板法的冰晶生长规律进行了探究。冰晶升华后，纳米纤维组装的沿冰晶界面分布的胞腔结构将得以保留。曲折和复杂的孔隙结构将成为热、电子或声学传输的有效屏障。
图2. 单向冷冻(上)和碎冰铸造(下)过程冰晶生长的示意图
图3. 不同碎冰比例下使用光学荧光显微镜对碎冰冷冻进行原位观察 随后该团队以Al2O3·SiO2纳米纤维为研究对象，验证了碎冰模板法的结构设计。由于形成了各向同性的胞腔结构，所获得的Al2O3·SiO2纳米纤维气凝胶表现出低密度、超弹性、良好的耐损伤性和抗疲劳性，以及超低的热导率。此外，在光学和热导率方面也观察到显著的结构各向同性。基于上述气凝胶良好的机械柔性、高温稳定性和低热导率，具有267.3 Wh kg−1的高能量密度电池模块中的破坏性热失控传播过程可以被5毫米厚的Al2O3·SiO2纳米纤维气凝胶层有效阻挡。并且气凝胶的低密度使得整个系统的重量增加可以忽略不计，因此该气凝胶有望在各种热保护场景中发挥巨大潜力。
图4. 陶瓷纳米纤维气凝胶的热物理和力学性能
图5. 陶瓷纳米纤维气凝胶对热失控的阻断红外图像 |
