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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構BN/SiO2納米纖維太空冷卻膜

2025-01-10 來源：高分子科技

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異雙效熱管理（隔熱和輻射制冷）和阻燃性能的核殼結構納米纖維膜（h-BN/SiO₂）用于太空極端高溫環境防護，相關成果以“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、探月工程的快速發展，極端太空熱環境對航天員安全和航天設備可靠運行帶來了極大的挑戰，對高溫環境下的熱管理防護材料提出了更高的性能要求，因此開發輕量化、柔性、高效的高溫熱防護材料一直是航天領域的研究熱點。

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，使其在隔熱領域的應用中具有嚴重局限性。所以如何有效結合這兩種惰性陶瓷材料來構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構的h-BN/SiO₂納米纖維膜（HS），該復合纖維膜同時具有SiO₂優異的隔熱性能和BN出色的被動輻射制冷性能。核層不連續的BN被殼層SiO₂纖維膜有效隔離，且BN和SiO₂固有的高溫熱穩定性，使復合纖維膜也表現出了極好的阻燃性。通過調節BN的含量，當添加含量為0.9 g時，HS_0.9表現出極低熱導率（0.026 W m^?1K^?1）和寬范圍的高反射率和發射率（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境以及日常生活中的高溫防護材料提供了創新性的設計方案。

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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