一种高弹芳纶纳米纤维气凝胶，可用于智能热管理

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一种高弹芳纶纳米纤维气凝胶，可用于智能热管理

2022年11月11日

气凝胶作为一种低密度、低导热、高孔隙率、大比表面积的轻质材料，受到了越来越多关注。但由于气凝胶热流恒定，只能在单模态下进行保温。因此，能够潜在地改变气凝胶的导热性是未来发展方向之一。

热开关是一种调节热阻并根据需要将其置于“开”或“关”模式的装置。大多数热开关需要通过复杂的结构设计或基于相变机械地闭合/断开热触点，然而这些传统的热开关体积庞大、设计复杂。

近日，东南大学和中科院苏州纳米所研究采用慢质子释放-调制凝胶化和热诱导交联策略，设计并制备了一种超弹芳纶纳米纤维气凝胶（HEKAs）。

HEKAs的制备过程包括纤维化学剥离、缓释凝胶化、冷冻干燥和高温热处理等过程。通过对成品的表征可以看出，HEKAs具有4.7 mg/cm³的超低密度和99.75%的高孔隙率，其热分解发生在500~645℃范围内。

HEKA在受到大压缩应变时表现出优异的弹性，可恢复应变最高达到80%。当压缩次数为500次时，其几乎恢复了原始形状，只有8.2%的轻微永久变形。经过100次压缩循环后，其杨氏模量没有明显下降。此外，HEKAs在超低温（-196℃）下也不会发生脆性断裂和结构倒塌，即使在液氮中浸泡并经过几个压缩周期后，仍表现出显著弹性。

研究人员将HEKA、玻璃、Al₂O₃陶瓷和同等高度的铁块放在加热台上，并在350℃下将新鲜的花瓣放在每个材料上面。在加热15分钟后，HEKAs上的花瓣只出现了轻微的脱水和萎蔫，而放在其他材料上的花瓣则出现了烧焦和炭化，表明HEKAs在高温下具有良好的隔热性能。

研究人员还通过实验验证了HEKAs作为热开关的可行性。结果表明，与基于机械闭合/断开热触点的金属热开关相比，HEKAs具有非常明显的密度优势；与基于相变过程的高分子材料热开关相比，HEKAs的开关比较高，可调范围为1-7.5。

该研究为满足多孔气凝胶的超弹性和按需定制热流提供了参考方向。相关工作以“Hyperelastic Kevlar Nanofiber Aerogels as Robust Thermal Switches for Smart Thermal Management”为题发表在《Advanced Materials》上。

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