袁利萍, 吴袁泊, 俞佳静, 张世琰, 孙铱, 胡云楚, 范友华

无机材料学报 2025, 40 (4): 415-424. DOI:10.15541/jim20240378

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轻质、隔热和耐高温材料是航天人员和精密设备的必要保障。纳米纤维素(CNFs)因高比表面积、低热膨胀系数和高强度等特性, 在轻质航天航空材料领域具有潜在的应用前景, 但是质脆易燃限制了其在高温领域的广泛应用。为了提升CNFs的耐高温性能, 本工作采用共沉淀法和离子交换法成功制备了[PMo₁₂O₄₀]^3-插层改性的ZnAl-PMo₁₂O₄₀-LDHs(PMo-LDHs, LDHs: 类水滑石插层材料), 将其与硼酸(BA)复合CNFs制备了PMo-LDHs+BA/CNFs气凝胶。当PMo-LDHs和BA的质量分数分别为CNFs的62.5%和2.0%时, 所制得的62.5PMo-LDHs+BA/CNFs气凝胶的密度为16.28 kg·m^-3, 导热系数为0.044 W/(m·K)。隔热背温实验表明, 该气凝胶的t₂₅₀(隔热背温达到250 ℃所需时间)长达2022.8 s, 比纯CNFs延长867.8 s; 其R₂₅₀(隔热背温达到250 ℃时的升温速率)只有0.124 ℃·s^-1, 仅为纯CNFs R₂₅₀的57.4%, 表现出优异的隔热保温性能。灼烧实验显示, 纯CNFs气凝胶在15 s内完全燃烧, 而62.5PMo-LDHs+BA/CNFs气凝胶在81 s内未被点燃, 且未出现明显收缩或变形。燃烧残余物的形貌结果表明, PMo-LDHs受热分解, 在CNFs基材表面催化形成致密均匀的连续炭层, 从而提高了CNFs气凝胶的耐火性能。

由图9可知, 纯CNFs气凝胶灼烧1 s迅速燃烧, 5 s后火焰熄灭, 18 s时剩余少量严重收缩变形的炭, 几乎完全燃烧, 表层覆盖大量白色灰烬。NO₃-LDHs+BA/CNFs气凝胶的点燃时间为3 s, 燃烧6 s后火焰自熄, 残炭收缩变形明显小于纯CNFs气凝胶。62.5PMo-LDHs+BA/CNFs气凝胶灼烧81 s未被点燃, 且收缩变形最小。与NO₃-LDHs +BA/CNFs气凝胶相比, 62.5PMo-LDHs+BA/CNFs炭层在整个灼烧过程中仅接触火焰部分被烧成灰白色, 顶部边缘还有部分基材未被炭化, 说明PMo-LDHs催化生成的炭层对热量和氧气具有更好的屏蔽作用。以上结果表明, 由[PMo₁₂O₄₀]3-插层LDHs制备的62.5PMo-LDHs+BA/CNFs气凝胶的耐火性能最强, LDHs复合能够减缓CNFs气凝胶的燃烧, 提高其耐火性。可能原因是, PMo-LDHs受热分解产生的含磷化合物(HPO₃、偏磷酸、Mo(PO₄)₂)促进基材脱水炭化, 并在基材表面形成炭层。同时, 分解产生的MoO₃、ZnO、Al₂O₃等金属氧化物增强了炭层的力学性能[27,33], 构筑了高阻燃性致密炭层, 物理阻断热量和氧气与内部基材接触, 从而减缓了基材的燃烧和分解, 提高了材料的耐火性能。此外, LDHs、BA和CNFs通过氢键、离子键等作用形成有序结构, 有助于气凝胶在受热时仍保持其原始尺寸[22?-24]。