雖然陶瓷以能夠承受高溫而聞名,但它們的脆弱也“聲名在外”——它們在發(fā)生形變時通常會破裂。然而,由美國布朗大學和清華大學的科學家開發(fā)的一種用陶瓷納米纖維制成的海綿狀新材料卻并非如此,其可用于從高溫絕緣到水過濾等領域。
納米纖維一般通過靜電紡絲或3D激光打印等工藝進行生產(chǎn)。前者不適用于陶瓷,而后者則耗費較多時間和成本。現(xiàn)在,科學家們使用了一種名為溶液吹紡的技術,這種方法是使用氣壓推動含陶瓷原料的溶液通過一個微小的孔洞。當液體從該孔洞出來時,就會凝固成纖維。將這些纖維收集在紡絲裝置上,然后進行加熱以除掉溶劑。最后得到一個由纏結的陶瓷納米纖維組成的棉球狀海綿。
這些海綿在被壓縮50%后能夠回彈到原來的體積——其他標準的陶瓷材料都不能做到。研究人員將這種屬性歸功于這種纖維的小尺寸。
美國布朗大學的研究人員表示,在納米尺度上,裂紋和缺陷變得非常小,以至于激活并使它們擴展需要更多的能量。納米尺度纖維同時也促進了形變機制,例如所謂的蠕變——其中原子可以沿著晶界擴散,從而使材料變形而不破裂。
即使加熱到800℃,這個海綿也能保持其彈性。在實驗室測試中,將一片花瓣放置在由二氧化鋯陶瓷制成的7mm厚的海綿上。將該海綿的底部加熱至400℃達10分鐘后,這片花瓣都幾乎沒有枯萎。相比之下,放置在其他多孔陶瓷材料樣品上的花瓣在相同條件下都被燒焦了。
由于二氧化鈦陶瓷是已知的抗菌光催化劑(當其暴露于光照下時可以殺死微生物),因此用其制成的海綿也可用作可重復使用的水過濾器。試驗表明,二氧化鈦海綿可以在含有有機染料的水中吸收其重量的50倍。隨后在光照下15分鐘后,染料被該海綿降解,將其擰干后可再次使用。
研究人員認為,這種海綿還可以用作耐熱柔性絕緣材料,例如可以用于消防員的衣服。
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