ナノファイバー斷熱材：航空宇宙分野で大いに可能性がある！

航空宇宙用航空機(jī)は飛行時(shí)に長時(shí)間の空気圧加熱に耐えなければならず、基體表面は高溫になり、航空機(jī)の本體構(gòu)造及び內(nèi)部機(jī)器設(shè)備の安全を保証するために、高効率斷熱材を用いて外部熱流の內(nèi)部への拡散を阻止しなければならない。同時(shí)に、軽量で効率的な斷熱防護(hù)システムは航空機(jī)の負(fù)荷低減、飛行距離の延長などに重要な意義を持っている。ナノ繊維材料は孔徑が小さく、多孔率が高いなどの利點(diǎn)があり、理想的な軽量高効率斷熱材料である。本文は主に現(xiàn)在の二次元ナノファイバー膜、三次元ナノファイバーエアロゲル斷熱材料の最新研究進(jìn)展を紹介する。

2次元ナノファイバー膜斷熱材

ミサイル電池?cái)酂幞弗悭饱氓取ⅴē螗弗螭胜嗓为Mい空間には厚さが小さいが斷熱性能に優(yōu)れた材料が必要であり、2次元ナノ繊維膜材料は繊維直徑が小さいため、堆積厚さが制御可能（一般的に100μm未満）であり、多孔率が高いなどの利點(diǎn)が狹い空間斷熱に使用できる。ナノファイバー膜斷熱材は組成によって高分子ナノファイバー膜、カーボンナノファイバー膜、セラミックナノファイバー膜に分けることができる。

ポリフッ化ビニリデン（PVDF）ナノファイバーフィルムなどの高分子ナノファイバーフィルムは、より高い空隙率と蛇行メッシュチャネルを有するため、材料內(nèi)部での空気分子の伝送路が長くなり、伝播過程で熱が損失するため、材料の熱伝導(dǎo)率を低下させることができる。材料の熱伝導(dǎo)率をさらに低下させるために、ある學(xué)者は浸漬改質(zhì)技術(shù)を通じてSiO 2ナノ粒子をPVDFナノ繊維表面に被覆し、繊維膜の孔徑をさらに減少させ、熱対流を低下させる。しかし、この材料は高溫環(huán)境で構(gòu)造が破壊されやすく、応用ニーズを満たすことが困難である。

カーボンナノファイバーは比表面積が大きく、多孔率が高く、化學(xué)安定性がよく、比強(qiáng)度が高いなどの利點(diǎn)があり、電子、エネルギー、航空宇宙などの分野で広範(fàn)な応用の將來性がある。カーボンナノファイバー膜材料は黒鉛化の程度が向上するにつれて、耐高溫性能が徐々に向上するが、その斷熱性能も大幅に低下するため、耐高溫と斷熱性能の同期向上の需要を満たすことが困難である。

セラミックス材料は耐高溫、耐腐食、絶縁性が良いなどの利點(diǎn)があり、高溫?cái)酂帷⑽簟⒂|媒などの分野で広く応用されている。しかし、現(xiàn)在、セラミックナノファイバーの大部分は脆性が大きく、力學(xué)性能が悪く、曲げに耐えられないなどの欠陥を有し、その実際の使用を制限している。この欠點(diǎn)を克服するために、紡糸溶液の性能とプロセスパラメータを調(diào)整することによって、アモルファス構(gòu)造を持ち、柔軟性の良いSiO 2ナノファイバー膜を製造した學(xué)者がいる。同時(shí)に、浸漬改質(zhì)方法により繊維間にSiO 2エアロゲルナノ粒子を?qū)毪贰iO 2ナノ粒子/ナノ繊維複合材料を構(gòu)築し、SiO 2ナノ繊維膜の斷熱性能を向上させることもできる。

三次元ナノファイバエアロゲル斷熱材

二次元ナノファイバーは良好な斷熱性能を持っているが、厚さ方向で効果的な増加(>1 cm)を?qū)g現(xiàn)することは困難であり、これは高出力エンジン斷熱、隔壁防火斷熱などの分野での応用を深刻に制限している。二次元ナノファイバー膜と比較して、三次元ナノファイバーエアロゲル材料はサイズ制御可能、空隙率が高く、空隙曲折程度が高いなどの利點(diǎn)があるため、斷熱、保溫、吸音などの分野で広い応用將來性を持っている。現(xiàn)在、一般的なナノファイバーエアロゲル斷熱材には、主に高分子ナノファイバーエアロゲルとセラミックナノファイバーエアロゲルの2種類が含まれる。

セラミックナノファイバエアロゲル

セラミックエアロゲル材料は優(yōu)れた耐高溫、耐腐食及び斷熱性能を有し、航空宇宙飛行機(jī)の熱防護(hù)の主要材料の一つである。現(xiàn)在使用されているエアロゲル斷熱材は主にセラミック繊維が強(qiáng)化されたSiO 2ナノ粒子エアロゲルであり、ナノ粒子とセラミック繊維との間の相互作用が弱いため、材料が使用中にナノ粒子が脫落しやすくなり、それによって材料の構(gòu)造安定性と斷熱性能が大幅に低下する。上記問題を解決するために、ある學(xué)者はフレキシブルセラミックナノファイバーを構(gòu)築基盤として、オリジナルの三次元繊維ネットワーク再構(gòu)築方法を利用して、超軽量、超弾性セラミックナノファイバーエアロゲル材料を構(gòu)築した。

セラミックナノファイバーエアロゲルの製造過程の概略図

このエアロゲル材料は蜂の巣のような網(wǎng)目構(gòu)造を有し、各網(wǎng)目內(nèi)の繊維は互いに絡(luò)み合って結(jié)合し、安定した繊維ネットワークを形成し、エアロゲルに良好な構(gòu)造安定性を與えた。それは大歪（80%歪）圧縮下でも急速に反発することができ、500回の圧縮サイクルを経た後、その塑性歪はわずか12%であり、既存のセラミックエアロゲル材料より優(yōu)れている。同時(shí)に、材料はアルコールランプの炎（約600℃）とブタンバーナー（約1100℃）で50%圧縮しても回復(fù)でき、優(yōu)れた高溫圧縮反発性能を示した。

アルコールランプ下のセラミックナノファイバーエアロゲルの圧縮寫真

ブタンバーナーの火炎下でのセラミックナノファイバーエアロゲルの圧縮寫真

350℃のホットテーブルに花びらを入れた異なる材料の10 min後の寫真

高分子ナノファイバーエアロゲル

既存のエアロゲル材料の力學(xué)性能が悪く、脆性が大きいという問題に対して。ある學(xué)者は高弾性率、高強(qiáng)度、低密度のセルロースナノ結(jié)晶を構(gòu)築要素とし、ゲル、超臨界乾燥方法を通じて良好な透明性、力學(xué)性能を持つセルロースナノ結(jié)晶エアロゲルを製造し、破壊せずに180°まで曲げることができ、同時(shí)にそれは大変形（80%）で圧縮した後も回復(fù)でき、最大応力は200 kPaより大きい。また、セルロースナノ結(jié)晶は優(yōu)れた斷熱性能を示している。