การรับมือกับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงด้วยวัสดุคอมโพสิตอะรามิด-เซรามิก

วัสดุที่ทนต่อการสึกหรอและเป็นฉนวนกันความร้อนซึ่งออกแบบมาสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง มักพบกับความท้าทายที่ไม่คาดคิดในระหว่างการพัฒนาและการผลิต ในด้านหนึ่ง วัสดุต้องรักษาคุณสมบัติเฉพาะบางอย่างไว้ เช่น ความทนทานต่อแรงกระแทก แต่ในอีกด้านหนึ่ง ประสิทธิภาพมักจะลดลง (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความทนทานต่อความร้อนลดลง) ที่อุณหภูมิสูง ดังนั้น การสร้างสิ่งทอที่ทนทานต่อความร้อนจึงมักต้องใช้กระบวนการผลิตที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับการผสมผสานวัสดุหลายชนิดเข้าด้วยกัน

อะรามิด เส้นใย มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในงานป้องกันต่างๆ เช่น อุปกรณ์สำหรับนักดับเพลิงและเจ้าหน้าที่กู้ภัย เนื่องจากมีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม อย่างไรก็ตาม คุณลักษณะทางความร้อนของวัสดุมีข้อจำกัดในการใช้งาน เนื่องจากค่าการนำความร้อนที่ค่อนข้างสูงและคุณสมบัติของพอลิเมอร์ที่ไวต่ออุณหภูมิ ทำให้ยากที่จะให้การป้องกันความร้อนที่เพียงพอในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง ในขณะเดียวกันก็ต้องรักษาความแข็งแรงทางกลไว้ได้ด้วย

ในทางตรงกันข้าม เซรามิกแอโรเจลมีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่ดีเยี่ยมเนื่องจากโครงสร้างมีรูพรุนขนาดเล็ก ซึ่งมีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงและความหนาแน่นต่ำ อย่างไรก็ตาม วัสดุน้ำหนักเบาพิเศษเหล่านี้มีข้อเสียคือเปราะบางทางกลและมีประสิทธิภาพทางกลต่ำ

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยบัฟฟาโลได้ผสานจุดแข็งของวัสดุทั้งสองเข้าด้วยกันเพื่อพัฒนาวัสดุนาโนคอมโพสิตแอโรเจลอะรามิด/เซรามิกที่ทนต่อการสึกหรอ ซึ่งแสดงคุณสมบัติทางกลและทางความร้อนที่โดดเด่น


ภาพแสดงตัวอย่างของวัสดุนาโนคอมโพสิตแอโรเจลอะรามิดชนิดใหม่ที่วางอยู่บนดอกตูม ซึ่งแสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติที่เบาของวัสดุ คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้วัสดุนาโนคอมโพสิตชนิดใหม่นี้เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับการผลิตสิ่งทอที่สวมใส่ได้ในราคาประหยัด ซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อใช้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง รวมถึงอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ อิเล็กทรอนิกส์ และอุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคล

ทีมวิจัยที่นำโดยศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยบัฟฟาโลได้รายงานผลการค้นพบเกี่ยวกับวัสดุคอมโพสิตแอโรเจลอะรามิด-เซรามิกขั้นสูง ซึ่งแสดงให้เห็นถึงวัสดุที่มีความหนาแน่นต่ำ (0.08 กรัม/ซม³) การนำความร้อนต่ำ (0.034 วัตต์/เมตร/เคลวิน) และความสามารถในการบีอัดสูง พร้อมด้วยความแข็งแรงในการรับแรงอัด 1.1 เมกะปาสคาล กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการเตรียมผ้าแอโรเจลอะรามิดผ่านปฏิกิริยาการเชื่อมโยงแบบในแหล่งกำเนิดระหว่าง เส้นใยอะรามิด และสารตั้งต้นของซิลิกาแอโรเจล (HCl, ไมเซลล์ CTAB, ยูเรีย และโซเดียมซิลิเกต) นาโนเวอร์กอธิบายกระบวนการผลิตว่า: "เราใช้กลยุทธ์การผลิตที่เรียบง่ายและปรับขนาดได้เพื่อผลิตนาโนคอมโพสิตผ่านปฏิกิริยาการเชื่อมโยงแบบในแหล่งกำเนิดระหว่างซิลิกาแอโรเจลที่มีรูพรุนระดับนาโนและเส้นใยอะรามิด เส้นใยนาโนคอมโพสิตที่ได้จะก่อตัวเป็นเครือข่าย 3 มิติที่เชื่อมต่อกันด้วยเมทริกซ์ซิลิกาที่มีรูพรุนระดับเมโซแบบกลวง" โครงสร้างเส้นใยแอโรเจลมีลักษณะเป็นเครือข่ายรูพรุนที่เชื่อมต่อกันและมีปริมาณอากาศที่ถูกกักไว้สูง ทำให้คอมโพสิตเส้นใยอะรามิด-แอโรเจลมีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนความร้อนที่ยอดเยี่ยม แม้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงตั้งแต่ -196°C ถึง 400°C

หัวใจสำคัญของวิธีการผลิตนี้คือการเชื่อมโยงข้ามโมเลกุลแบบในตัว (in-situ cross-linking) ที่เกิดขึ้นระหว่างสารตั้งต้นซิลิกาแอโรเจลและเส้นใยอะรามิด ในระหว่างกระบวนการอบแห้งที่ความดันบรรยากาศ สารตั้งต้นจะเปลี่ยนเป็นซิลิกาแอโรเจลที่มีรูพรุนระดับนาโนและตกตะกอนลงบนเส้นใยอะรามิด เส้นใยอะรามิดจะก่อตัวเป็นเครือข่ายแบบต่อเนื่อง ในขณะที่ซิลิกาแอโรเจลจะเชื่อมโยงข้ามโมเลกุลและตกตะกอนลงบนเครือข่ายเส้นใยนี้ การยึดเกาะระหว่างเส้นใยอะรามิดและแอโรเจลที่เกิดขึ้นระหว่างการเกิดเจลจะช่วยป้องกันการยุบตัวของเครือข่ายเส้นใยได้อีกด้วย

หลังจากที่ทีมวิจัยได้แสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติที่เหนือกว่าของวัสดุฉนวนนาโนคอมโพสิตนี้อย่างประสบความสำเร็จแล้ว ขณะนี้พวกเขากำลังศึกษาการประยุกต์ใช้งานเฉพาะด้านต่างๆ เช่น ฉนวนกันความร้อนและระบบทนต่อการสึกหรอ เกราะทนต่อแรงกระแทก และชิ้นส่วนโครงสร้างสำหรับการใช้งานที่ไวต่อความร้อน