“雪花”塑造“柔性陶瓷”
2021年冬天，在清華大學從事博士后研究工作的李磊正在研發一種全新的氣凝膠制備方法，常規方法都用遍了，卻沒什么實質進展。他和朋友習慣性來到清華大學近春園散步，這片誕生《荷塘月色》的知名池塘里，只有枯枝落葉在冰面上隨風飄零，冰面上還一小堆未化的雪，當目光聚焦在雪堆和冰面的交界處，李磊得到了大自然的啟示。
冰面上的雪堆上熱下冷，經過反復凍融，雪化在冰里，冰包住了雪，而這一過程激發了氣凝膠制備的靈感。于是，李磊開發一種領域內首創制備氣凝膠的方法，即碎冰模板法，可以大規模組裝同性納米纖維氣凝膠。
近日，李磊的導師清華大學教授伍暉、北京大學研究員韋小丁、南京大學教授朱嘉、中北大學副教授李偉偉共同合作，使用具有普適性的、可控的碎冰模板法，將低維材料漿料冷凍在旋轉的低溫滾筒表面上后將其粉碎，然后將碎冰與漿料混合重新冷凍鑄造來大規模制備一種各向同性氣凝膠。相關研究成果以《基于柱狀晶到等軸晶轉變的各向同性納米纖維氣凝膠的大規模組裝》為題，發表于《自然-通訊》期刊，李磊、周儀倩、高洋為論文共同第一作者。
“劍走偏鋒”的研發路
1931年，美國學者斯特勒使用超臨界方法制備制得世界第一款氣凝膠，剛開始產品不僅貴而且產量很小。百年時光荏苒，氣凝膠家族成員已發展出幾十種，它們以極低的密度、極小的孔徑、極低的隔熱系數、極低的聲音傳播速度等諸多優點而聞名，多樣化的產品形式使其應用更加靈活廣泛，遍布石化、軍工、航天、電池、環保、建筑、交通等各個領域。
在導師的指導下，李磊想探索制備陶瓷材料纖維氣凝膠新方法，這類氣凝膠成分和陶瓷一樣，最輕的只有每立方厘米0.6毫克重，可以佇立在蒲公英的頂端，而且還有良好的柔性、高溫穩定性和低熱導率，集四種特性于一身。
本來，陶瓷材料纖維氣凝膠除了一些特殊用途之外，大眾并不甚了解，日常生活也用不著，但隨著電動汽車的快速發展和普及，氣凝膠成為動力電池包的重要組成部分，越發受到關注。
李磊有著很明顯的感受，伴隨著電動汽車的崛起，氣凝膠的科研進展也是突飛猛進，我國在氣凝膠科研和生產領域實力已經躍居領先地位。
但是相關研發仍然沒有停歇，一方面是國外專利壁壘的限制，導致我國企業生產的氣凝膠難以走出國門，急需擁有全新專利的產品，另外一方面是原來的超臨界法耗能高、產量低、價格高，需要改進。
伍暉表示，把微觀結構組裝成可以大規模制造、大尺寸成型的輕質宏觀體材料，是重要的科學挑戰，也是大量實際應用和產業界都面臨的共性問題。
“荷塘月色”啟發靈感
與傳統的超臨界方法不同，李磊一開始就使用自己課題組更擅長的冷凍合成法試水，結果略顯遺憾，老辦法終究沒能誕生新奇跡。生產出來的氣凝膠沒有力學性能，一碰就散，隨風飛舞。其實，傳統冷凍手段太單一、冰晶生長不可控的缺點很明顯，明知道問題在哪里，但是卻想不出更好的辦法。
每年下雪后，樹坑里的雪堆時間長了就不再松軟，踩上去硬邦邦，幾乎變成一塊冰，當這北方最常見的現象突然出現在李磊的視線里時，在他腦中縈繞的冰晶結構不穩定的復雜問題停止了運轉。
李磊腦海迅速回放了最近幾十天這堆雪是如何從蓬松變為硬實的過程。久久無人清理的雪堆經過反復融化和冰凍，冰晶的邊緣實現了融合，減少了縫隙，加固了整個材料的結構，這也就是雪堆時間長了以后踩不動的原因。
此后，李磊的試驗速度突飛猛進，他們把新發展的碎冰模板法工藝描述為一種動態冷凍方法。實驗室里，李磊操控著手掌大小的低溫鼓，將它的轉速控制在每分鐘50轉，刮板抬高3毫米，淋在低溫鼓上的漿液迅速冷凍，又被精確切割為碎冰晶。“這一步，與夏季冰鎮飲品的做法頗為類似”，李磊又把碎冰晶與纖維溶液混合攪拌，經過零下20攝氏度低溫冷凍干燥和600攝氏度高溫煅燒等復雜步驟，才最終打造出純無機氣凝膠。“說它是膠也行，稱為海綿更合適，成分和陶瓷一樣，但是卻松軟有彈性，這就是納米材料的神奇之處”
冰塊切雪花，再壓實成為冰塊，看似“多此一舉”，實則是“關鍵一招”。因為平板冷凍效率太低，冰晶生長厚度有上限，而動態冷凍生成的材料熱傳遞效率更高，生長厚度沒有限制。
“另外，連續旋轉冷凍可以控制冰晶的產生方向，調控氣凝膠微觀結構，顆粒直徑極小的鋁硅酸鹽借助冰晶的生長，被塑造為理想的結構，生成了類似海綿的結構，”李磊說。之后，通過與中北大學副教授李偉偉合作進行計算流體動力學仿真，也確實證實了旋轉冷凍在制備碎冰中體現出高能量傳遞效率。
新的碎冰制備不僅速度快，不易發生顆粒沉降，還做出了傳統方法難以達到的大型尺寸。
伍暉希望這種技術能被更多人應用，加快市場推廣，而且這種制備工藝具備相容性，可以拓展到聚丙烯腈納米纖維、芳綸納米纖維、纖維素納米纖維和碳納米管等材料，具有較高的應用價值。
“防火墻”阻斷自燃
電動汽車的飛速發展始終繞不開一個安全問題——電池爆燃。僅2021年，中國就發生了3000多起的電動汽車起火事故。電池起火是電動汽車自燃最主要的原因，導致電池熱失控的根源是電池內部一系列復雜且相互關聯的“鏈式副反應”，從局部短路到大面積短路，熱失控傳播像多米諾骨牌倒塌一樣迅速蔓延到整個系統。
為此，隔熱性能出眾的氣凝膠被引進到電池動力廠商，為每個獨立的電池安裝“防火墻”。是不是真能阻斷“鏈式副反應”，李磊模擬了一次人為誘導熱失控傳播過程。
實驗室里，李磊為4塊滿充狀態的53Ah三元八系高鎳動力電池都裝備了超薄“防火墻”，加熱板把最外層的電池加熱到200℃，進而引發了電池內部短路，溫度最高升至875℃，伴隨著電壓消失，電池逐漸膨脹，釋放濃煙布滿了整個實驗室，火星朝著周圍濺射，在紅外相機和8個測量溫度的熱電偶的見證下，被氣凝膠保護起來的相鄰電池的開路電壓始終保持穩定，表面溫度未達到熱失控傳播的觸發溫度200 ℃。而沒有“防火墻”的電池在同樣的試驗條件下被逐個點燃。
李磊說，從成分看，陶瓷纖維成分是鋁硅酸鹽，本身就有具有高熱穩定性和化學穩定性，不易起火。從疲勞測試結果來看，1000次壓縮循環后也沒有明顯損壞，在承受30%至90%的壓縮應變后可以完全恢復到原始狀態。從電池燃燒實驗結果看，5毫米厚的陶瓷纖維氣凝膠可以完全阻止破壞性熱失控傳播，而且它的低密度特性，幾乎沒有給整個電動系統增加負擔。
實驗室產出的超細陶瓷纖維長期耐溫性為1200℃，在超級絕熱材料中最高，遠高于電池起火時800℃的溫度。
伍暉表示，從特殊領域再到尋常百姓家，高端材料的普及和量產需要從實驗室走出來，應用在國民經濟真正需要的地方。面向未來，基于陶瓷纖維的絕熱材料可以為應對電網儲能系統的安全挑戰，開發先進輕量化電池系統提供更大幫助。
李磊從博士后的經歷學到了，需要跨學科的眼光和思考，時不時“革”自己的命。一份自我評價還不錯的成果，作為自己博士后經歷的紀念，李磊收拾好心情回到了攻讀博士的母校北京理工大學，開啟了命題、啟發、破題的下一個輪回。
