Menangani Persekitaran Keras dengan Komposit Seramik Aramid

Bahan penebat haba tahan haus yang direka bentuk untuk persekitaran yang keras sering menghadapi cabaran yang tidak dijangka semasa pembangunan dan pembuatan. Di satu pihak, bahan tersebut mesti mengekalkan sifat tertentu—seperti rintangan hentaman—namun prestasinya sering merosot (khususnya, rintangan haba menurun) pada suhu tinggi. Akibatnya, penghasilan tekstil perlindungan haba yang tahan lama selalunya memerlukan proses pembuatan yang kompleks yang melibatkan gabungan pelbagai bahan.

Aramid gentian digunakan secara meluas dalam aplikasi perlindungan—seperti peralatan untuk anggota bomba dan responden kecemasan—kerana sifat mekanikalnya yang sangat baik. Walau bagaimanapun, ciri termanya mengehadkan utilitinya; kekonduksian terma yang agak tinggi dan sifat polimer sensitif suhunya menyukarkan untuk memberikan perlindungan terma yang mencukupi merentasi julat suhu yang luas sambil mengekalkan kekuatan mekanikal yang teguh.

Sebaliknya, aerogel seramik menawarkan keupayaan penebat yang luar biasa hasil daripada struktur mesoporousnya, yang mempunyai luas permukaan spesifik yang tinggi dan ketumpatan yang rendah. Walau bagaimanapun, bahan ultra ringan ini mengalami kerapuhan mekanikal dan prestasi mekanikal yang lemah.

Penyelidik di Universiti Buffalo telah menggabungkan kekuatan kedua-dua bahan untuk membangunkan nanokomposit aerogel aramid/seramik tahan haus yang mempamerkan sifat mekanikal dan terma yang luar biasa.


Satu sampel nanokomposit aerogel aramid baharu ditunjukkan terletak pada kuntum bunga, menunjukkan sifat ringan bahan tersebut. Ciri-ciri ini menjadikan nanokomposit baharu sebagai calon yang berpotensi untuk pengeluaran tekstil boleh pakai berkos rendah yang bertujuan untuk digunakan dalam persekitaran yang keras, termasuk aeroangkasa, elektronik dan peralatan pelindung diri.

Satu pasukan yang diketuai oleh seorang profesor Universiti di Buffalo melaporkan penemuan mereka mengenai komposit aerogel aramid-seramik termaju ini, mempamerkan bahan dengan ketumpatan rendah (0.08 g cm⁻³), kekonduksian terma rendah (0.034 W m⁻¹ K⁻¹), dan kebolehmampatan yang tinggi, di samping kekuatan mampatan 1.1 MPa. Proses ini melibatkan penyediaan fabrik aerogel aramid melalui tindak balas ikatan silang in-situ antara gentian aramid dan prekursor aerogel silika (HCl, misel CTAB, urea dan natrium silikat). Nanowerk menerangkan proses pembuatannya: "Kami menggunakan strategi fabrikasi yang mudah dan boleh diskala untuk menghasilkan nanokomposit melalui tindak balas ikatan silang in-situ antara aerogel silika nanoporous dan gentian aramid; gentian nanokomposit yang terhasil membentuk rangkaian 3D yang saling berkaitan dengan matriks silika mesoporous berongga." Struktur gentian aerogel mempunyai rangkaian berliang yang saling berkaitan dan kandungan udara terperangkap yang tinggi, memberikan komposit gentian-aerogel aramid prestasi penebat haba yang luar biasa, walaupun dalam persekitaran yang ekstrem antara -196°C hingga 400°C.

Kunci kepada kaedah fabrikasi ini ialah penyambungan silang in-situ yang berlaku antara prekursor aerogel silika dan gentian aramid. Semasa proses pengeringan tekanan ambien, prekursor berubah menjadi aerogel silika nanoporous dan mendapan pada gentian aramid. Gentian aramid membentuk rangkaian perkolasi, manakala aerogel silika menyambung silang dan mendapan pada rangkaian gentian ini. Ikatan antara muka antara gentian aramid dan aerogel, yang terbentuk semasa penggelasan, seterusnya menghalang keruntuhan rangkaian gentian.

Setelah berjaya menunjukkan sifat-sifat unggul bahan penebat nanokomposit ini, pasukan kini sedang menyiasat aplikasi khusus, termasuk penebat haba dan sistem tahan haus, perisai tahan hentaman, dan komponen struktur untuk aplikasi sensitif haba.