上海硅酸鹽所在負(fù)泊松效應(yīng)助力陶瓷基復(fù)合材料多功能設(shè)計(jì)方面取得進(jìn)展

2023-09-12 08:49:21來(lái)源：上海硅酸鹽研究所閱讀量：104 評(píng)論

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】天然材料的機(jī)械性能往往隨著密度的降低而急劇惡化。輕質(zhì)多孔材料面臨著強(qiáng)度低、抗疲勞性能差等問(wèn)題。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)構(gòu)建輕質(zhì)高強(qiáng)的力學(xué)超材料，有望改善多孔材料隨密度降低而強(qiáng)度劇烈衰減的現(xiàn)象。通過(guò)優(yōu)化多孔材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將多孔材料的功能作用和機(jī)械超材料屬性的力學(xué)增強(qiáng)作用相融合，獲得輕質(zhì)彈性、耐用的陶瓷基復(fù)合材料并探究其多功能應(yīng)用具有重要的研究意義。

　　近期，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所董紹明院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)了具有負(fù)泊松比、高比強(qiáng)度、超彈性和高抗壓強(qiáng)度的陶瓷基復(fù)合材料。該材料兼具負(fù)泊松比及高比強(qiáng)度(E ~ ρ1.3)特性，并可實(shí)現(xiàn)高溫條件下隔熱及電磁屏蔽多功能應(yīng)用。

　　前期，該團(tuán)隊(duì)利用向心冷凍鑄造技術(shù)，設(shè)計(jì)相互垂直的溫度梯度以改變冰晶的生長(zhǎng)方向，最終形成內(nèi)凹向心結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了負(fù)泊松比效應(yīng)和優(yōu)異彈性。相關(guān)成果以Tailoring centripetal metamaterial with superelasticity and negative Poisson’s ratio for organic solvents adsorption為題，發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances，DOI：10.1126/sciadv.abo1014)上。

　　在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)結(jié)合向心冷凍鑄造及化學(xué)氣相沉積技術(shù)，形成內(nèi)凹取向結(jié)構(gòu)和“BN/石墨烯/BN”三明治片層，獲得具有層次結(jié)構(gòu)的陶瓷基復(fù)合材料。該材料實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的抗壓縮性能，具有負(fù)泊松比和高比強(qiáng)雙重超材料屬性。依賴于陶瓷組分的保護(hù)作用，該材料具有高效的隔熱性能，高溫下具有良好的電磁干擾屏蔽性能。在700℃時(shí)，比屏蔽效率(SSE/t)可達(dá)9416 dB·cm2·g-1。

　　基于負(fù)泊松比效應(yīng)定制層次結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和多功能應(yīng)用的關(guān)鍵。所設(shè)計(jì)的分層結(jié)構(gòu)和超材料特性為實(shí)現(xiàn)陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)提供了新方案。相關(guān)成果以Multifunctional Hierarchical Metamaterial for Thermal Insulation and Electromagnetic Interference Shielding at Elevated Temperatures為題，發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)-納米》(ACS Nano，DOI：10.1021/acsnano.3c03332)上。

向心冷凍制備向心石墨烯氣凝膠示意圖

陶瓷基復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)及超材料屬性

陶瓷基復(fù)合材料的高溫隔熱及高溫電磁屏蔽性能

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