Ứng dụng vật liệu composite gốm aramid trong môi trường khắc nghiệt

Các vật liệu chịu mài mòn, cách nhiệt được thiết kế cho môi trường khắc nghiệt thường gặp phải những thách thức bất ngờ trong quá trình phát triển và sản xuất. Một mặt, vật liệu phải duy trì các đặc tính cụ thể—chẳng hạn như khả năng chống va đập—nhưng hiệu suất thường giảm (cụ thể là khả năng chịu nhiệt giảm) ở nhiệt độ cao. Do đó, việc tạo ra các loại vải cách nhiệt bền bỉ thường đòi hỏi các quy trình sản xuất phức tạp liên quan đến sự kết hợp của nhiều loại vật liệu.

Aramid sợi Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng bảo hộ—chẳng hạn như trang bị cho lính cứu hỏa và nhân viên cứu hộ khẩn cấp—nhờ các đặc tính cơ học tuyệt vời. Tuy nhiên, đặc tính nhiệt của chúng hạn chế tính hữu dụng; độ dẫn nhiệt tương đối cao và bản chất polyme nhạy cảm với nhiệt độ khiến việc cung cấp khả năng bảo vệ nhiệt đầy đủ trên phạm vi nhiệt độ rộng trong khi vẫn duy trì độ bền cơ học cao trở nên khó khăn.

Ngược lại, aerogel gốm mang lại khả năng cách nhiệt vượt trội nhờ cấu trúc xốp, có diện tích bề mặt riêng lớn và mật độ thấp. Tuy nhiên, những vật liệu siêu nhẹ này lại có nhược điểm là dễ vỡ và hiệu suất cơ học kém.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Buffalo đã kết hợp những ưu điểm của cả hai vật liệu để phát triển một loại nanocomposite aerogel aramid/gốm có khả năng chống mài mòn, thể hiện các đặc tính cơ học và nhiệt vượt trội.


Một mẫu vật liệu nanocomposite aerogel aramid mới được trưng bày đặt trên một nụ hoa, minh họa tính chất nhẹ của vật liệu. Những đặc điểm này làm cho nanocomposite mới trở thành ứng cử viên đầy triển vọng cho việc sản xuất các loại vải may mặc giá rẻ dành cho môi trường khắc nghiệt, bao gồm hàng không vũ trụ, điện tử và thiết bị bảo hộ cá nhân.

Một nhóm nghiên cứu do một giáo sư Đại học Buffalo dẫn đầu đã báo cáo những phát hiện của họ về vật liệu composite aerogel gốm-aramid tiên tiến này, cho thấy một vật liệu có mật độ thấp (0,08 g cm⁻³), độ dẫn nhiệt thấp (0,034 W m⁻¹ K⁻¹) và độ nén cao, cùng với độ bền nén là 1,1 MPa. Quy trình này bao gồm việc chuẩn bị một loại vải aerogel aramid thông qua phản ứng liên kết chéo tại chỗ giữa các thành phần. sợi aramid và các tiền chất silica aerogel (HCl, micelle CTAB, urê và natri silicat). Nanowerk mô tả quy trình sản xuất: "Chúng tôi đã sử dụng một chiến lược chế tạo đơn giản và có thể mở rộng để sản xuất vật liệu nanocomposite thông qua phản ứng liên kết chéo tại chỗ giữa silica aerogel xốp nano và sợi aramid; các sợi nanocomposite thu được tạo thành một mạng lưới 3D liên kết với nhau bằng một ma trận silica rỗng, xốp trung bình." Cấu trúc sợi aerogel có đặc điểm là mạng lưới xốp liên kết với nhau và hàm lượng không khí bị giữ lại cao, mang lại cho vật liệu composite sợi aramid-aerogel hiệu suất cách nhiệt vượt trội, ngay cả trong môi trường khắc nghiệt từ -196°C đến 400°C.

Điểm mấu chốt của phương pháp chế tạo này là quá trình liên kết chéo tại chỗ xảy ra giữa các tiền chất silica aerogel và các sợi aramid. Trong quá trình sấy ở áp suất môi trường, các tiền chất chuyển hóa thành silica aerogel xốp nano và lắng đọng lên các sợi aramid. Các sợi aramid tạo thành một mạng lưới liên kết, trong khi silica aerogel liên kết chéo và lắng đọng lên mạng lưới sợi này. Sự liên kết giữa các sợi aramid và aerogel, được hình thành trong quá trình tạo gel, giúp ngăn chặn sự sụp đổ của mạng lưới sợi.

Sau khi chứng minh thành công các đặc tính vượt trội của vật liệu cách nhiệt nanocomposite này, nhóm nghiên cứu hiện đang tìm hiểu các ứng dụng cụ thể, bao gồm hệ thống cách nhiệt và chống mài mòn, áo giáp chống va đập và các cấu kiện kết cấu cho các ứng dụng nhạy cảm với nhiệt.