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研究人员使用防弹背心中使用的材料开发超强气凝胶

气凝胶是具有广泛微尺度孔隙的轻质材料,可用于隔热,能源器件,航空航天结构以及柔性电子的新兴技术。然而,基于陶瓷的传统气凝胶往往很脆,这限制了它们在承重结构中的性能。由于其构建块的限制,最近开发的一类聚合物气凝胶只能通过牺牲其结构孔隙率或轻质特性来实现高机械强度。

由香港大学工程学院机械工程系徐立志博士和袁林博士领导的研究小组,为各种功能器件开发了一种新型聚合物气凝胶材料,具有广泛的应用价值。

在这项现已发表在《自然通讯》上的研究中,一种新型气凝胶是使用涉及芳纶的自组装纳米纤维网络或Kevlar(一种用于防弹背心和头盔的聚合物材料)成功创造出来的。研究小组没有使用毫米级的Kevlar纤维,而是使用溶液处理方法将芳纶分散成纳米级原纤维。

纳米纤维与聚乙烯醇(另一种柔软和“胶合”聚合物)之间的相互作用产生了具有高节点连通性和纳米纤维之间强键合的3D纤维网络。“这就像一个微观的3D桁架网络,我们设法将桁架牢固地焊接在一起,从而产生了一种非常坚固和坚韧的材料,可以承受广泛的机械载荷,优于其他气凝胶材料,”徐博士说。

该团队还使用理论模拟来解释所开发的气凝胶的出色机械性能。“我们在计算机中构建了各种3D网络模型,这些模型捕获了纳米原纤维气凝胶的基本特征,”领导研究理论模拟的Lin博士说。

“原纤维网络的节点力学对于它们的整体机械行为至关重要。我们的模拟表明,即使具有相同的固体含量,节点连通性和纤维之间的粘合强度也会对网络的机械强度产生许多数量级的影响,“Lin博士说。

“结果非常令人兴奋。我们不仅开发了一种具有优异机械性能的新型聚合物气凝胶,而且还为各种纳米纤维材料的设计提供了见解,“徐博士说,”这些气凝胶的简单制造工艺也使它们能够用于各种功能设备,如可穿戴电子设备,热隐身,过滤膜和其他系统,"

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