基于陶瓷纳米纤维纳米结构的海绵由于具有超高的孔隙率、低的热导率、大的比表面积和化学稳定性而受到广泛关注。从纤维本身的调控到3D网络的构建方法，都在为提高陶瓷海绵的力学性能以满足实际应用而努力。迄今为止，通过结构设计，陶瓷纳米纤维基海绵已经实现了可恢复的可压缩性，但在更复杂的应力状态下仍表现为脆性断裂。
为了解决这些问题，西安交通大学王洪洁/杨光团队制备出一种高度取向和相互交织的Si3N4纳米纤维海绵，该海绵具有超柔韧性、大断裂伸长率(>80%)、大应变可逆拉伸(20 %)和良好的抗拉伸疲劳性。此外还具有高达60 %应变的可逆可压缩性、抗穿刺性、高空气过滤效率( > 99.8 % )和低压降( 38 %)，使该海绵可应用于高性能的可穿戴呼吸器的制备，以保护我们免受PM2.5污染和可能的微生物的危害。相关论文以“Resilient and Antipuncturing Si3N4 Nanofiber Sponge”为题发表在Nano Letters。
图1 Si3N4纳米纤维海绵的制备与表征
Si3N4纳米纤维泡沫的制备
Si3N4纳米纤维海绵的制备在氮气气氛的气体压力炉中进行。采用SiO粉末作为原料，在炉内设计并设置旋转台，在炉内产生旋流上升气流(图1a )。随着气态原料的富集，Si3N4晶核在石墨模板表面生成，纳米纤维从晶核中伸出(图1b )，在旋流上升气流的作用下，Si3N4纳米纤维继续生长并相互缠绕，最终形成Si3N4纳米纤维海绵(图1c )。如图2a所示，在石墨基底上容易发现微米和纳米尺度的不规则形状的团簇。这是因为气体原子在石墨基底上发生充分的吸附和脱附，通过层-岛生长模式形成不同形状的多面体微晶Si3N4。
Si3N4纳米纤维泡沫的灵活性和柔韧性
与传统陶瓷气凝胶的脆性性质形成鲜明对比的是，Si3N4纳米纤维海绵具有高度的柔性，这得益于超长和卷曲的Si3N4纳米纤维形成的高度交错和互锁的纳米结构。海绵在弯曲(图3a)，拧紧，剪切后可恢复到原始状态，使海绵易于收集和储存。此外在拉伸过程中，海绵表现出明显的垂直于拉伸方向的收缩，其泊松比约为0.28。值得注意的是，在水平拉伸过程中观察到明显的拉丝现象，这有利于海绵在屈服后继续延伸，而不是产生脆性破坏(图3d)。令人惊讶的是，Si3N4纳米纤维海绵在水平和垂直方向都表现出对张力的恢复。Si3N4纳米纤维海绵在5 %和10 %的拉伸应变下可以完全恢复其原始状态。当应变增加到20 %时，卸载后出现轻微的永久变形( 3 % )，但没有观察到试样的宏观断裂。
图2. Si3N4纳米纤维泡沫的形成机理
Si3N4纳米纤维海绵在60 %应变下进行100次循环的疲劳测试表明(图4b )，在100次循环后，最大应力保持95 %，而弹性区的杨氏模量保持初始状态的94 % (图4c )。值得注意的是，Si3N4纳米纤维海绵的高度略有降低( 5 % )，表明Si3N4纳米纤维海绵具有优异的抗压缩疲劳性能和坚固的纳米纤维网络。此外Si3N4纳米纤维海绵也表现出良好的抗穿刺性能。在5 mm深度下长达12 h的长期准静态刺破试验表明刺破载荷保持了其原始状态的92 % (图4e )。
纳米纤维海绵的实际应用
超轻Si3N4纳米纤维海绵具有高可加工性和长期承受高流速的能力，并且容易被切割为颗粒呼吸器的过滤元件。作者将其应用于颗粒物呼吸器滤芯的制备，超多孔纳米纤维网络有利于PM2.5的截留去除。如图4g所示，在1 m s-1的流速下，棉纤维对PM2.5的过滤效率达到99.8 %以上，且具有良好的稳定性，可稳定运行180 min，而棉纤维的过滤效率仅为85.8 %。同时，较低的压降使人们呼吸更加自然顺畅。Si3N4纳米纤维制成的滤芯与棉纤维(图4h)相比具有更低的压降，仅为棉纤维基滤芯的38 %。
图3 Si3N4纳米纤维泡沫的机械性能
图4 Si3N4纳米纤维泡沫的应用
总结：Si3N4纳米纤维海绵作为一种高性能的过滤材料，可用于作为可穿戴呼吸器，以保护人类免受PM2.5和可能的微生物的污染。
名称：材料科学前沿
ID：MaterialFrontiers
立志打造材料领域有特色的新媒体
投稿、荐稿、爆料：editor@polysci.cn