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Extrusion 3D printing of carbon nanotube-assembled carbon aerogel nanocomposites with high electrical conductivity

Nano Materials Science 2024年第3期6卷 312-319页

作者： Lukai Wang Jing Men Junzong Feng yonggang jiang Liangjun Li Yijie Hu Jian Feng Science and Technology on Advanced Ceramic Fibers and Composites Laboratory College of Aerospace Science and EngineeringNational University of Defense Technology109 De Ya RdChangshaHunan410073PR China

Carbon nanotubes(CNTs)with high aspect ratio and excellent electrical conduction offer huge functional improvements for current carbon ***,there remains a major challenge for achieving the on-demand shaping of carbon aerogels with tailored micro-nano structural textures and geometric ***,a facile extrusion 3D printing strategy has been proposed for fabricating CNT-assembled carbon(CNT/C)aerogel nanocomposites through the extrusion printing of pseudoplastic carbomer-based inks,in which the stable dispersion of CNT nanofibers has been achieved relying on the high viscosity of carbomer *** extrusion printing,the chemical solidification through polymerizing RF sols enables 3D-printed aerogel nanocomposites to display high shape fidelity in macroscopic *** from the micro-nano scale assembly of CNT nanofiber networks and carbon nanoparticle networks in composite phases,3D-printed CNT/C aerogels exhibit enhanced mechanical strength(fracture strength,0.79 MPa)and typical porous structure characteristics,including low density(0.220 g cm^(-3)),high surface area(298.4 m^(2)g^(-1)),and concentrated pore diameter distribution(~32.8nm).More importantly,CNT nanofibers provide an efficient electron transport pathway,imparting 3D-printed CNT/C aerogel composites with a high electrical conductivity of 1.49 S cm^(-1).Our work would offer feasible guidelines for the design and fabrication of shape-dominated functional materials by additive manufacturing.

关键词： Carbon aerogel Extrusion 3D printing Carbon nanotube Electrical conductivity Rheology

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聚酰亚胺气凝胶的耐高温性能研究进展

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材料导报 2024年第13期38卷 280-290页

作者：张思钊刘淳姜勇刚冯坚江西理工大学国际创新研究院聚合物气凝胶研究中心南昌330013 国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073 国防科技大学空天科学学院力学博士后科研流动站长沙410073

聚酰亚胺树脂具有高强度、高阻燃性、高热稳定性和低介电常数等特点,在航空航天、微电子等领域均有广泛应用。聚酰亚胺气凝胶由于其丰富的纳米多孔三维网络结构与聚酰亚胺本体特性相结合,具有良好的隔热性能以及优异的力学性能。然而,... 详细信息

聚酰亚胺树脂具有高强度、高阻燃性、高热稳定性和低介电常数等特点,在航空航天、微电子等领域均有广泛应用。聚酰亚胺气凝胶由于其丰富的纳米多孔三维网络结构与聚酰亚胺本体特性相结合,具有良好的隔热性能以及优异的力学性能。然而,由于聚酰亚胺气凝胶丰富的纳米多孔结构,其耐高温性能相对于聚酰亚胺树脂明显下降,极大地限制了聚酰亚胺气凝胶在航空航天高温环境热防护领域的应用。本文针对聚酰亚胺气凝胶耐高温性能不足的问题,分别介绍了线型和交联型聚酰亚胺气凝胶及其主要制备方法,系统评述了国内外学者为提升聚酰亚胺气凝胶耐高温性能而采用的主要策略,同时对聚酰亚胺气凝胶在航空航天、压力传感、环境修复和保温隔热等领域的应用进行了总结,最后结合当前聚酰亚胺气凝胶面临的主要挑战,对其未来的研究动态进行了展望。

关键词：聚酰亚胺气凝胶隔热材料热稳定性耐高温性热致收缩

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直写3D打印聚酰亚胺-氧化硅气凝胶复合材料

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复合材料学报 2024年第4期41卷 1879-1889页

作者：王鲁凯门静冯军宗姜勇刚冯坚国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

特定几何体结构对实际应用场景中高效发挥气凝胶材料功能效应有着至关重要的影响。然而,受限于气凝胶的脆性、耗时制造周期和较差模具设计性,传统制造技术在气凝胶定制成型方面仍存在着挑战。直写3D打印技术可实现气凝胶按需塑型,并赋... 详细信息

特定几何体结构对实际应用场景中高效发挥气凝胶材料功能效应有着至关重要的影响。然而,受限于气凝胶的脆性、耗时制造周期和较差模具设计性,传统制造技术在气凝胶定制成型方面仍存在着挑战。直写3D打印技术可实现气凝胶按需塑型,并赋予气凝胶兼容材料组成和功能特性。本文提出了一种基于双通道互混挤出方式的直写3D打印策略,用于制备聚酰亚胺-氧化硅(OBS)气凝胶复合材料。受益于挤出过程中墨水与催化剂之间的流体扩散混合效应,化学酰亚胺化固化得以顺利实现,3D打印OBS气凝胶复合材料呈现出高结构完整性和高形状保真度。借助直写3D打印技术的空间组装优势,OBS气凝胶复合材料形成毫米、微米、纳米多尺度形貌,其中,微米尺度复合结构使3D打印OBS气凝胶复合材料表现出良好力学性能(杨氏模量高达14.4 MPa);纳米尺度多孔结构特征,如低密度(0.208 g·cm^(−3))、高表面积(373 m^(2)·g^(−1))和集中孔径分布(20~30 nm),赋予3D打印OBS气凝胶复合材料优异隔热性能(热导率低至21.25 mW·m^(−1)·K^(−1))。尽管本文仅关注于3D打印OBS气凝胶复合材料,但该3D打印策略的成功实施将为增材制造其他种类气凝胶复合材料提供了经验借鉴。

关键词： 3D打印氧化硅聚酰亚胺气凝胶复合材料

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炭气凝胶隔热材料研究进展

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材料工程 2024年第6期52卷 78-91页

作者：门静王鲁凯冯军宗姜勇刚李良军冯坚国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

新型高速航天飞行器的不断发展对耐高温、轻质、高效隔热材料提出了迫切需求,炭气凝胶因其纳米尺度孔隙和颗粒链结构,不仅具有传统气凝胶的低密度、高孔隙率、高比表面积及低热导率等优异的特性,还具有耐超高温(惰性气氛)、高红外比消... 详细信息

新型高速航天飞行器的不断发展对耐高温、轻质、高效隔热材料提出了迫切需求,炭气凝胶因其纳米尺度孔隙和颗粒链结构,不仅具有传统气凝胶的低密度、高孔隙率、高比表面积及低热导率等优异的特性,还具有耐超高温(惰性气氛)、高红外比消光系数等优点,使其在作为隔热材料应用于超高温部位热防护具有显著优势。本文首先基于热传导理论,分别从气凝胶密度和微观结构(孔径、粒径)等方面阐述了炭气凝胶隔热性能的研究现状,然后综述了近年来国内外炭气凝胶隔热材料制备工艺及性能优化的研究进展,主要包括力学性能增强、耐烧蚀/抗氧化、低成本化及超轻超弹四个方面,并对各方面存在的优缺点进行了总结。最后提出低成本、高性能炭气凝胶隔热材料的后续研究方向,并对其在民用及其他特殊领域的发展应用进行展望。

关键词：炭气凝胶隔热材料热导率力学性能抗氧化低成本

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氧化物气凝胶高温红外改性研究

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化学进展 2024年第2期36卷 234-243页

作者：黄睿名姜勇刚柳凤琦冯军宗李良军冯坚国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

氧化物气凝胶是一类具有超低热导率的新型纳米多孔材料,在航空航天等高温隔热领域具有广阔的应用前景。然而目前常见的氧化硅、氧化铝等氧化物气凝胶受材料/结构单元固有性质的限制,其通常具有红外透明性,而高温下辐射传热占据主导地位... 详细信息

氧化物气凝胶是一类具有超低热导率的新型纳米多孔材料,在航空航天等高温隔热领域具有广阔的应用前景。然而目前常见的氧化硅、氧化铝等氧化物气凝胶受材料/结构单元固有性质的限制,其通常具有红外透明性,而高温下辐射传热占据主导地位,大量红外辐射会透过气凝胶,热导率急剧攀升,导致其高温隔热性能较差,因此需要对其进行高温红外改性,从而满足更高的隔热性能需求。本文综述了近年来添加遮光剂、纤维及调整气凝胶的结构/形貌在提高氧化物气凝胶高温隔热性能方面的研究进展,并对未来研究方向进行展望。

关键词：氧化物气凝胶红外改性复合材料高温隔热遮光剂纤维

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炭气凝胶的溶胶-凝胶合成工艺及其相关结构研究进展

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硅酸盐学报 2024年第8期52卷 2709-2721页

作者：门静冯军宗姜勇刚李良军胡艺洁冯坚国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

具有耐高温和低热导率特性的炭气凝胶是惰性气氛下的理想高温隔热材料。炭气凝胶优异的隔热性能与其特殊的纳米孔隙和骨架结构密不可分,因此,实现纳米结构的可控制备是进一步优化炭气凝胶隔热性能并拓展其实际应用的关键。本文首先基于... 详细信息

具有耐高温和低热导率特性的炭气凝胶是惰性气氛下的理想高温隔热材料。炭气凝胶优异的隔热性能与其特殊的纳米孔隙和骨架结构密不可分,因此,实现纳米结构的可控制备是进一步优化炭气凝胶隔热性能并拓展其实际应用的关键。本文首先基于气凝胶热传导理论讨论了气凝胶结构与隔热性能的关系,而后综述了炭气凝胶隔热材料的溶胶–凝胶制备工艺对其结构影响的研究进展,最后,对炭气凝胶隔热材料的制备工艺研究方向进行了展望。

关键词：炭气凝胶隔热材料溶胶–凝胶法

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Structural and Mechanical Characterization ofAtrina Pectinata and Freshwater Mussel Shells

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Journal of Bionic Engineering 2015年第2期12卷 276-284页

作者： Jianlu Lv yonggang jiang Deyuan Zhang School of Mechanical Engineering and Automation Beihang University Xueyuan Road No. 37 Haidian District Beij'ing 1 00191 China International Research Institute for Multidisciplinary Science Beihang University Xueyuan Road No. 37 Haidian District Belling 100191 China

The microstructures ofAtrina pectinata and freshwater mussel shells are investigated by optical microscopy and scanning electron microscopy. The mechanical properties of these shells are characterized by nanoindentation and three-point bending tests. Results show that both shells possess a prismatic microstructure mainly composed of columnar crystals and an organic matrix. The fracture toughness of the prismatic structure of Atrina pectinata and freshwater mussel are approximately 1.15 MPa.m1/2 and 0.87 MPa.m1/2, respectively, while the fracture toughness of natural calcite is approximately 0.2 MPa.m1/2. Calculated results from indentations agree with those obtained from the three-point bending tests. The columnar crystal material shows excellent fracture toughness due to grain refinement. In addition, the organic matrix of the prismatic layer can arrest cracks, and thereby improves the fracture toughness.

关键词： shell prismatic fracture toughness organic matrix crack

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基于水性气相二氧化硅浆料制备柔性二氧化硅气凝胶复合毡

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Science China Materials 2024年第4期67卷 1332-1339页

作者：张舜尧王鲁凯冯军宗姜勇刚李良军胡艺洁冯坚 Science and Technology on Advanced Ceramic Fibers and Composites Laboratory College of Aerospace Science and EngineeringNational University of Defense TechnologyChangsha 410073China

二氧化硅气凝胶由于其低导热率在隔热应用方面具有巨大的潜力.然而,它们通常具有较差的机械性能,需要在保持低热导率的同时增强机械性能.本研究以商业化气相二氧化硅和甲基三甲氧基硅烷为硅源,并以水和乙醇为溶剂形成浆料.基于此,二氧... 详细信息

二氧化硅气凝胶由于其低导热率在隔热应用方面具有巨大的潜力.然而,它们通常具有较差的机械性能,需要在保持低热导率的同时增强机械性能.本研究以商业化气相二氧化硅和甲基三甲氧基硅烷为硅源,并以水和乙醇为溶剂形成浆料.基于此,二氧化硅气凝胶块体(SAMs)可通过常压干燥进行制备,且无需额外的表面改性或溶剂置换.制备的SAMs保持了典型的纳米孔结构,具有低密度(0.24 g cm^(-3))、收缩率(4%)和热导率(0.046 W m^(-1)K^(-1)).通过辊压将浆料浸渍到纤维毡中,并通过浆料热固化和常压干燥制备出二氧化硅气凝胶毡(SABs).制备的SABs具有良好的柔韧性和机械性能,便于安装和隔热应用,并显著减少了生产周期和成本.此外,基于SAMs的纳米孔结构和低收缩率,通过调控遮光剂的粒径和质量分数进一步降低了SABs的高温热导率,优化后的SABs在800℃的热导率低至0.054 W m^(-1)K^(-1).

关键词：常压干燥二氧化硅气凝胶气相二氧化硅甲基三甲氧基硅烷浆料制备热导率遮光剂纤维毡

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Investigation on the Lateral Line Systems of Two Cavefish： Sinocyclocheilus Macrophthalmus and S. Microphthalmus （Cypriniformes： Cyprinidae）

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Journal of Bionic Engineering 2016年第1期13卷 108-114页

作者： yonggang jiang Jianchao Fu Deyuan Zhang Yahui Zhao School of Mechanical Engineering and Automation Beihang University Beij'ing 100191 China International Research Institute for Multidisciplinary Science Beihang University Beijing 100191 China Key Laboratory of Zoological Systematics and Evolution Institute of Zoology Chinese Academy of Sciences Beijing 1 O0 l 01 China.

Cavefish, with sensitive lateral lines, can swim freely and locate preys in invisible and complex cave environments, though their eyes are greatly degenerated. Investigations on the morphology and distribution characteristics of their lateral line systems would benefit our understanding of the high-sensitivity mechanism of the fish. In this study, the arrangement and morphology of the lateral lines are described for two species ofSinocyclocheilus： S. macrophthalmus and S. microphthalmus, which live in the karst caves in Guangxi, China. The behavior experiments indicate that the lateral line system of the S. macrophthalmus is more sensitive at a low vibration frequency range from 20 Hz to 70 Hz. The cephalic and trunk lateral line systems both contribute to the efficient object-locating capability. For both of the two species of cavefish, the diameter of the lateral canal nearby the neuromasts is narrower than that nearby the canal pores. This variation can increase the normal pressure to the surface of the cupula, and increase the sensitivity of the canal lateral line system.

关键词： lateral line system cavefish neuromast bionic sensing

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Hydrodynamic Perception Using an Artificial Lateral Line Device with an Optimized Constriction Canal

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Journal of Bionic Engineering 2020年第5期17卷 909-919页

作者： Zhiqiang Ma yonggang jiang Zihao Dong Zhiwu Han Deyuan Zhang Institute of Bionic and Micro-Nano Systems School of Mechanical Engineering and AutomationBeihang UniversityBeijing 100191China Key Laboratory for Bionic Engineering Ministry of EducationJilin UniversityChangchun 130022China Beijing Advanced Innovation Center for Biomedical Engineering Beihang UniversityBeijing 100191China

To perform flow-related behaviors in darkness,blind cavefish have evolved Lateral Line Systems(LLSs)with constriction canals to enhance hydrodynamic sensing *** the design principles,we developed a Canal-type Artificial Lateral Line(CALL)device featuring a biomimetic constriction *** hydrodynamic characterization results revealed that the sensitivity of the canal LLS increases with the decrease in the width(from 1 mm to 0.6 mm)and length(from 3 mm to 1 mm)of the constriction canal,which is in accordance with the modeling results of canal *** CALL device was characterized in Kármán vortex streets generated by a cylinder in a laminar *** CALL device was able to identify the diameter of the cylinder,with a mean identification error of approximately 2.5%.It also demonstrated the identification ability of wake width using the CALL device,indicating the potential for application in hydrodynamic perception.

关键词： lateral line constriction canal biomimetics flow sensor hydrodynamic perception

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