Penguin feather-inspired flexible aerogel composite films featuring ultra-low thermal conductivity and dielectric constant

气凝胶 电介质 材料科学 复合数 热导率 复合材料 羽毛 常量(计算机编程) 电导率 热的 光电子学 物理 热力学 生态学 计算机科学 量子力学 生物 程序设计语言
作者
Rui Yang,Kun Yu,Xiang Yu,Wenqi Zhang,Kaixuan Sun,Fangcheng Lv,Yunpeng Liu,Sidi Fan
出处
期刊:Materials horizons [Royal Society of Chemistry]
标识
DOI:10.1039/d4mh01442a
摘要

Given extremely high porosity, aerogels have demonstrated remarkable advantages in serving as thermal insulation and wave-transparent materials. Unfortunately, their practical applications are greatly confined by their inherent fragility. The recent emergence of polymer aerogels presents an ideal platform for the development of flexible aerogel films. However, additional cross-linking agents are necessitated for constructing a robust structure, complicating the production process. Herein, we report a flexible aerogel film based on meta-aramid composites, inspired by the porous structure of penguin feathers. The intermolecular hydrogen bonds function as natural cross-linking agents. Their disruption results in the dissolution of meta-aramid fibers, while their reconstruction facilitates localized rearrangement of meta-aramid chains during the sol-gel process, generating closed nanopores. Furthermore, fluorinated hollow glass microspheres are filled, compressing the nanopores situated near the interface to 75-150 nm. This meets the critical threshold required by the Knudsen effect, decreasing the thermal conductivity to levels below that of ambient air. At an optimized doping ratio of 3 wt%, the thermal conductivity is 21.6 mW m-1 K-1, while achieving a low dielectric constant of 1.43. Simultaneously, aerogel films exhibit enhanced mechanical properties, and also show benefits of hydrophobicity, colorability, ultralightness, and flame retardancy, making themselves multifunctional materials suitable for practical applications.
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