电纺聚丙烯腈发Science正刊，加点硅氮烷再发子刊- 大数跨境

X-MOL资讯

2023-05-04

导读：德国拜罗伊特大学Markus Retsch、Günter Motz、Seema Agarwal等，报道了一种具有极低热导率和高电导率的电纺非织造材料，以碳为基体、硅基陶瓷为纳米包体，具有海-岛型纳米结

高电导率材料往往表现出高导热性，早在1853年，德国物理学家Gustav Wiedemann和法国物理学家Rudolf Franz就通过大量实验发现：在一定温度下，金属中电子的热导率与电导率成正比。不过，这一结论并不能推而广之，科学家们也找到了很多同时具有低热导率和高电导率的材料。比如，多孔材料碳气凝胶就兼具超高导电性和超低导热性，表现出2.25 S cm^-1的高电导率和27 mW m^-1 K^-1的低热导率 ^[1]。

碳气凝胶。图片来源：Micropor. Mesopor. Mat. ^[1]

具有低导热性和高导电性的材料对于能量转换、小型化电子产品和高温燃料电池等领域来说十分重要，这些应用场景往往还会要求这些材料易于加工、可折叠、不易燃。近日，德国拜罗伊特大学Markus Retsch、Günter Motz、Seema Agarwal等研究者在Science Advances 杂志上发表论文，报道了一种具有极低热导率和高电导率的电纺非织造材料，以碳为基体、硅基陶瓷为纳米包体，具有海-岛型纳米结构。其中，碳相调节电子输运以获得高电导率，而陶瓷相通过边界散射来诱导声子散射，以实现低热导率。值得一提的是，论文一作Xiaojian Liao博士于2019年就曾在Science 杂志上发表论文^[2]，利用电纺工艺制备了高强度的聚丙烯腈纤维（点击阅读详细），本篇可以看作是上一个工作的延续。

具有海-岛型结构的柔性碳-硅陶瓷复合纤维非织造材料示意图。图片来源：Sci. Adv.

这种复合非织造材料的制备工艺分为三步：首先，将聚丙烯腈和不同含量的低聚硅氮烷混合，通过电纺工艺获得初产品，纤维平均直径为900±70 nm；随后在空气气氛下250 °C加热退火，起到稳定作用；最后在氮气氛围下1000 °C碳化和陶瓷化，纤维直径降低至470±50 nm，得到柔性可折叠的非织造材料成品（C/SiCON）。

柔性可折叠的C/SiCON非织造材料。图片来源：Sci. Adv.

随后，研究者讨论了陶瓷相对非织造材料导热性和导电性的影响。随着聚硅氮烷（SiCON）含量的增加，热扩散率表现出明显的下降趋势，特别是跨平面热扩散率。当SiCON为聚丙烯腈前驱体质量分数的50%时，非织造材料具有最低的平面内热导率（32±12 mW m^-1 K^-1）、横截面热导率（10±0.1 mW m^-1 K^-1）以及跨平面热导率（19.8±7.8 mW m^-1 K^-1），这些值与空气的热导率（26 mW m^-1 K^-1）近似。

C/SiCON非织造材料的热学和电学性质。图片来源：Sci. Adv.

当然，随着SiCON含量增加，电导率略有下降，从20.1 S cm^-1逐渐降低到4.2 S cm^-1。不过，陶瓷相并没有阻止电子通过纤维中的碳材料相之间进行传输，不但可以点亮发光二极管，在弯曲、折叠5000次循环后，材料的电阻几乎不变，发光二极管的亮度在视觉上也没有变化。此外，非织造材料电导率在−50 °C到300 °C间，仅略有增加，说明材料工作温度范围相当广。

C/SiCON非织造材料柔性展示。图片来源：Sci. Adv.

与纯碳纤维相比，C/SiCON纤维中碳材料相的无序度更高，石墨含量更低，这使得电子传输路径更复杂，并容易引起额外的散射，从而导致电导率和热导率下降。

碳纤维和C/SiCON纤维对比。图片来源：Sci. Adv.

表征结果显示，SiCON相在碳相中均匀分布，碳相和SiCON相在纤维中均匀分布，形成海-岛型纳米结构。这种均匀分散的结构使得陶瓷相不会使电阻明显提高，却能有效增加声子边界散射，导致声子的热传输效率降低，这就解释了C/SiCON非织造材料同时具备高电导率和低热导率的原因。

C/SiCON纤维的纳米结构及元素分析。图片来源：Sci. Adv.

此外，C/SiCON非织造材料还具有非常好的热稳定性和阻燃性。纯碳非织造材料很容易被点燃，而C/SiCON在100% O₂氛围下也不会燃烧和变形。这或许归因于表面碳燃尽后，SiOCN陶瓷相形成钝化的二氧化硅层，可以有效地保护纤维。因此，在火焰上灼烧5分钟后，材料的电导率降至0.02 S cm^-1。

C/SiCON非织造材料的阻燃性和热稳定性。图片来源：Sci. Adv.

氧气环境中的阻燃性对比。图片来源：Sci. Adv.

“这种材料的制备工艺很容易实现产业化，可以解决航空航天等行业目前的瓶颈”，Xiaojian Liao博士说，“这项工作最初源于对新型纱线的研究”。“复合材料中的热和电荷传输机理目前还没有完全弄清楚，但这篇论文给了我们很多鼓舞人心的结果”，马萨诸塞大学的材料科学家Yanfei Xu表示，“如果我们能在大规模生产中获得同样的性能，我认为这将令人非常向往”。^[3]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Extremely low thermal conductivity and high electrical conductivity of sustainable carbonceramic electrospun nonwoven materials

Xiaojian Liao, Jakob Denk, Thomas Tran, Nobuyoshi Miyajima, Lothar Benker, Sabine Rosenfeldt, Stefan Schafföner, Markus Retsch, Andreas Greiner, Günter Motz, Seema Agarwal

Sci. Adv. 2023, DOI: 10.1126/sciadv.ade6066

参考文献：

[1] W. Sun, et al. Graphene-templated carbon aerogels combining with ultra-high electrical conductivity and ultra-low thermal conductivity. Micropor. Mesopor. Mat. 2017, 253, 71-79. DOI: 10.1016/j.micromeso.2017.06.044

[2] X. Liao, et al. High strength in combination with high toughness in robust and sustainable polymeric materials. Science 2019, 366, 1376-1379. DOI: 10.1126/science.aay9033

[3] Composite achieves the virtually impossible – it’s electrically conducting, while thermally insulating

https://www.chemistryworld.com/news/composite-achieves-the-virtually-impossible-its-electrically-conducting-while-thermally-insulating/4017254.article

（本文由小希供稿）

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