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鄭大劉春太/劉虎團隊 Sci. Bull.：具有雙效熱管理和阻燃性的核殼結(jié)構(gòu)BN/SiO2納米纖維太空冷卻膜

2025-01-10 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：熱管理阻燃性核殼結(jié)構(gòu) 納米纖維太空冷卻膜

近日，鄭州大學劉春太教授研究團隊報道了一種同時具有優(yōu)異雙效熱管理（隔熱和輻射制冷）和阻燃性能的核殼結(jié)構(gòu)納米纖維膜（h-BN/SiO₂）用于太空極端高溫環(huán)境防護，相關(guān)成果以“Core-shell structured BN/SiO₂ nanofiber membrane featuring with dual-effect thermal management and flame retardancy for extreme space thermal protection”發(fā)表于Science Bulletin，鄭州大學直聘副研究員潘朵、碩士生韓自圓為共同第一作者，劉虎副教授為共同通訊作者。

近年來，隨著載人航天、探月工程的快速發(fā)展，極端太空熱環(huán)境對航天員安全和航天設(shè)備可靠運行帶來了極大的挑戰(zhàn)，對高溫環(huán)境下的熱管理防護材料提出了更高的性能要求，因此開發(fā)輕量化、柔性、高效的高溫熱防護材料一直是航天領(lǐng)域的研究熱點。

目前，分別選擇使用SiO₂纖維膜作為隔熱材料和氮化硼（BN）作為被動輻射制冷（PRC）填料的研究報道較多。然而，由于BN的本征高熱擴散系數(shù)，使其在隔熱領(lǐng)域的應用中具有嚴重局限性。所以如何有效結(jié)合這兩種惰性陶瓷材料來構(gòu)建具有隔熱和輻射制冷的雙效熱管理復合材料具有重大研究意義。

鑒于此，鄭州大學劉春太教授研究團隊以SiO₂前驅(qū)體溶膠作為復合纖維殼層，以六方氮化硼（h-BN）納米片溶膠作為復合纖維核層，通過同軸靜電紡絲法制備了一種具有獨特核殼結(jié)構(gòu)的h-BN/SiO₂納米纖維膜（HS），該復合纖維膜同時具有SiO₂優(yōu)異的隔熱性能和BN出色的被動輻射制冷性能。核層不連續(xù)的BN被殼層SiO₂纖維膜有效隔離，且BN和SiO₂固有的高溫熱穩(wěn)定性，使復合纖維膜也表現(xiàn)出了極好的阻燃性。通過調(diào)節(jié)BN的含量，當添加含量為0.9 g時，HS_0.9表現(xiàn)出極低熱導率（0.026 W m^?1K^?1）和寬范圍的高反射率和發(fā)射率（均超90%），使其在高日照強度和強光輻射下都能達到理想的冷卻效果。此外，為了進一步提高復合纖維膜的機械強度和韌性，通過真空抽濾在HS_0.9纖維表面包裹一層聚酰亞胺，使其強度從0.42 MPa大幅度提高至7.2 MPa。因此，此研究工作為極端太空環(huán)境以及日常生活中的高溫防護材料提供了創(chuàng)新性的設(shè)計方案。

圖1. h-BN/SiO₂納米纖維膜（HS）的制備流程

圖2.（a）h-BN與m-BN電子照片；（b）m-BN的丁達爾效應；（c）h-BN和m-BN的FTIR光譜；（d-g）SiO₂和HS_x的SEM圖；（h）MSP_x、HS_0.9等相關(guān)樣品的TG熱重曲線；（i）MSP_0.9和HS_0.9的FTIR光譜；（j-1）HS_0.9的TEM圖像及相應的N、Si元素的Mapping圖像

圖3.（a）SiO₂和HS_x的熱導率；（b）熱臺試驗溫度-時間曲線；（c）熱臺試驗溫差（△T）-時間曲線；（d）覆蓋人體皮膚測試中SiO₂和HS_x的紅外圖像；（e）HS_x隔熱機理圖

圖4.（a）HS_x的PRC機理圖；（b）在AM1.5太陽光譜和“大氣窗口”下SiO₂和HS_x的UV-vis-NIR反射率和（c）紅外發(fā)射率；（d）模擬太陽輻照試驗示意圖以及相應的（e）紅外圖像；（f）樣品與熱輻射環(huán)境之間的溫差（△T）-時間曲線；（g）SiO₂和HS_x的冷卻功率；（h）SiO₂與HS_x上下表面之間平均溫差△T_m

圖5.（a-b）SiO₂/PVA、SiO₂、MSP_0.9和HS_0.9的放熱率（HRR）；（c）商品棉與HS_0.9的燃燒試驗對比

圖6.（a）SiO₂和HS_x的拉伸應力-應變曲線；（b）HSPI_0.9的制備過程；（c）HS_0.9和HSPI_0.9的拉伸應力-應變曲線；（d）HSPI_0.9的掃描電鏡圖像；（e）HS_0.9和HSPI_0.9的熱導率對比；HSPI_0.9和其他相關(guān)樣品的UV-vis-NIR反射率；（g）HSPI_0.9的燃燒測試示意圖

文章信息：

Duo Pan¹,ZiyuanHan¹,JuntingLei,YutaoNiu,HuLiu^*,SunmiShin,ChuntaiLiu^*,ZhanhuGuo, Core-shell structured BN/SiO₂ nanofiber membrane featuring with dual-effect thermal management and flame retardancy for extreme space thermal protection, 2025

https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.01.005

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（責任編輯：xu）

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