Small Methods:模具辅助冰模板技术制备可编程、局部取向可控微观多孔结构

多孔材料具有密度低、比强度高、比表面积大、渗透性好等优良特性,可应用于轻质材料、能量吸收、材料分离、安全防护和组织工程等领域。冰模板技术作为一种制备多孔结构的方法,具有简易、高效经济、绿色环保等特性,受到了广泛的关注。冰模板技术可方便地调控材料内部孔隙几何形状,进而得到不同优良性能的多孔材料。例如,单向冷冻技术可以得到孔隙单向排列的多孔材料,具有各向异性的力学性能和隔热性能;双向冷冻技术形成了类似贝壳的片层状结构,具有较高的强度和断裂韧性。目前,冰模板技术已经实现了随机定向、片层定向排列和轴向排列的多孔结构,但精确调控多孔结构的局部取向仍是一个挑战。

最近,武汉大学薛龙建课题组构建了一种可编程、局部取向可控的微观多孔结构的制备技术:模具辅助冰模板技术(Mold-Assisted Ice Templating,MIT)。与调控冷源或冷台基底表面性质制备多孔材料的冰模板技术不同的是,MIT使用具有不同形状的铜模具,在XY平面内引入可编程温度场(方向可控);结合冷台形成的温度梯度,实现冷冻过程中局域温度梯度在三维空间的可控取向,进而实现微观孔洞局域取向的调控。实验装置十分简单,如图1所示。

图1 MIT实验装置示意图

以五角星形的模具为例来说明微观孔洞结构的可控设计(图2a)。冷冻过程中,从凸角到凹角 (P1到P3),P2和P3两个点的温度梯度(ΔT37,ΔT26)的方向垂直于模具,且ΔT37>ΔT26;同时,沿着模具边缘的温度梯度大约相等 (ΔT12≈ΔT13 )。因此, P2和P3两个点在XY平面内的温度梯度(ΔTP3, XY,ΔTP2, XY)方向略有不同。在Z方向温度梯度的协同作用下,P2和P3两个点的总温度梯度方向(ΔTP3,ΔTP2)因此也略有区别(图2b)。ΔTP3和ΔTP2的方向决定着冰晶的生长方向(图2c)。通过冷冻干燥除去冰晶,得到具有局域取向的多孔结构(图2d)。由于结构的对称性,会在模具棱角的角平分线处形成不同取向区域的边界(类似于晶体中的晶界)(图2e)。

图2 (a) 五角星形状铜模具的光学图片 (b) 三维空间中P2和P3点的温度梯度矢量示意图 (c) 在冷冻过程中,侧面和上面的红外变化图 (d) 五角星样品截面的SEM图 (e) 五角星的五个角中,两个相邻的半角(α)之差Δα=|α-α’|

通过设计模具的形状(图3),可以有效设定局域的总温度梯度方向,从而有效编辑最终多孔结构的局部微观取向,充分证实了MIT技术的普适性。

图3 不同形状的模具的样品截面的SEM图

MIT实验装置、操作简单易行,可以制备出传统成型方法无法获得的局部定向可控微结构,在多孔材料领域具有广阔的应用前景。

相关文章发表在Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.202000963)上。

薛龙建课题组(NISE-Lab)长期致力于仿生材料、多孔材料相关研究,更多研究内容见课题组网站:http://niselab.whu.edu.cn/