郑大刘春太/刘虎团队 Sci. Bull.：具有双效热管理和阻燃性的核壳结构BN/SiO2纳米纤维太空冷却膜

2025-01-10 来源：高分子科技

近日，郑州大学刘春太教授研究团队报道了一种同时具有优异双效热管理（隔热和辐射制冷）和阻燃性能的核壳结构纳米纤维膜（h-BN/SiO₂）用于太空极端高温环境防护，相关成果以“Core-shell structured BN/SiO₂ nanofiber membrane featuring with dual-effect thermal management and flame retardancy for extreme space thermal protection”发表于Science Bulletin，郑州大学直聘副研究员潘朵、硕士生韩自圆为共同第一作者，刘虎副教授为共同通讯作者。

近年来，随着载人航天、探月工程的快速发展，极端太空热环境对航天员安全和航天设备可靠运行带来了极大的挑战，对高温环境下的热管理防护材料提出了更高的性能要求，因此开发轻量化、柔性、高效的高温热防护材料一直是航天领域的研究热点。

目前，分别选择使用SiO₂纤维膜作为隔热材料和氮化硼（BN）作为被动辐射制冷（PRC）填料的研究报道较多。然而，由于BN的本征高热扩散系数，使其在隔热领域的应用中具有严重局限性。所以如何有效结合这两种惰性陶瓷材料来构建具有隔热和辐射制冷的双效热管理复合材料具有重大研究意义。

鉴于此，郑州大学刘春太教授研究团队以SiO₂前驱体溶胶作为复合纤维壳层，以六方氮化硼（h-BN）纳米片溶胶作为复合纤维核层，通过同轴静电纺丝法制备了一种具有独特核壳结构的h-BN/SiO₂纳米纤维膜（HS），该复合纤维膜同时具有SiO₂优异的隔热性能和BN出色的被动辐射制冷性能。核层不连续的BN被壳层SiO₂纤维膜有效隔离，且BN和SiO₂固有的高温热稳定性，使复合纤维膜也表现出了极好的阻燃性。通过调节BN的含量，当添加含量为0.9 g时，HS_0.9表现出极低热导率（0.026 W m^?1K^?1）和宽范围的高反射率和发射率（均超90%），使其在高日照强度和强光辐射下都能达到理想的冷却效果。此外，为了进一步提高复合纤维膜的机械强度和韧性，通过真空抽滤在HS_0.9纤维表面包裹一层聚酰亚胺，使其强度从0.42 MPa大幅度提高至7.2 MPa。因此，此研究工作为极端太空环境以及日常生活中的高温防护材料提供了创新性的设计方案。

图1. h-BN/SiO₂纳米纤维膜（HS）的制备流程

图2.（a）h-BN与m-BN电子照片；（b）m-BN的丁达尔效应；（c）h-BN和m-BN的FTIR光谱；（d-g）SiO₂和HS_x的SEM图；（h）MSP_x、HS_0.9等相关样品的TG热重曲线；（i）MSP_0.9和HS_0.9的FTIR光谱；（j-1）HS_0.9的TEM图像及相应的N、Si元素的Mapping图像

图3.（a）SiO₂和HS_x的热导率；（b）热台试验温度-时间曲线；（c）热台试验温差（△T）-时间曲线；（d）覆盖人体皮肤测试中SiO₂和HS_x的红外图像；（e）HS_x隔热机理图

图4.（a）HS_x的PRC机理图；（b）在AM1.5太阳光谱和“大气窗口”下SiO₂和HS_x的UV-vis-NIR反射率和（c）红外发射率；（d）模拟太阳辐照试验示意图以及相应的（e）红外图像；（f）样品与热辐射环境之间的温差（△T）-时间曲线；（g）SiO₂和HS_x的冷却功率；（h）SiO₂与HS_x上下表面之间平均温差△T_m

图5.（a-b）SiO₂/PVA、SiO₂、MSP_0.9和HS_0.9的放热率（HRR）；（c）商品棉与HS_0.9的燃烧试验对比

图6.（a）SiO₂和HS_x的拉伸应力-应变曲线；（b）HSPI_0.9的制备过程；（c）HS_0.9和HSPI_0.9的拉伸应力-应变曲线；（d）HSPI_0.9的扫描电镜图像；（e）HS_0.9和HSPI_0.9的热导率对比；HSPI_0.9和其他相关样品的UV-vis-NIR反射率；（g）HSPI_0.9的燃烧测试示意图

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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（责任编辑：xu）

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