传统的氧化物陶瓷本身就很脆，对缺陷非常敏感，在外部应力作用下很容易失效。因此，同时赋予这些材料高强度和高韧性对于提高其在大多数安全关键应用中的性能至关重要。通过静电纺丝实现陶瓷材料的纤维化以及纤维直径的进一步细化，由于其结构的独特性，有望实现从脆性到柔性的转变。目前，电纺氧化物陶瓷纳米纤维的合成必须依靠有机聚合物模板来调节无机溶胶的可纺性，其在陶瓷化过程中的热分解将不可避免地导致孔隙缺陷，并严重削弱最终纳米纤维的力学性能。本文提出了一种自模板静电纺丝策略，无需添加任何有机聚合物模板即可形成氧化物陶瓷纳米纤维。实例表明，单根二氧化硅纳米纤维具有均匀、致密和无缺陷的结构，拉伸强度高达1.41GPa，韧性高达34.29MJ/m3，两者都远远优于通过聚合物模板静电纺丝制备的纳米纤维。总之，这项工作为开发坚固耐用的氧化物陶瓷材料提供了一种新的策略。
图1.自模板静电纺丝法合成二氧化硅纳米纤维。a）自模板静电纺丝法合成二氧化硅纳米纤维的示意图。为了进行比较，还包括了通过传统聚合物模板法合成二氧化硅纳米纤维的示意图。b）CS和SC的尺寸分布。c）CS和SC粘度。d）CS和SC的29Si NMR光谱。静电纺丝后的e）CS、f）CS和PVB的混合物，以及g）SC的形态，上图为光学图像，下图为SEM图像。
图2.不添加任何有机聚合物模板的可纺硅溶胶的分析。a）TEOS-EtOH-H2O-HCl溶胶体系在80℃下的纤维拉伸行为（HCl与TEOS的摩尔比为0.01）。b）未经真空浓缩处理的硅溶胶的c（H+）和胶体尺寸随水与TEOS摩尔比的变化而变化。c）硅溶胶的粘度和固体含量随浓缩时间的变化。d）硅溶胶浓缩过程中lnη与ln[RT/（1-RT）]的关系图。e）浓缩前后硅溶胶的粘度和剪切速率之间的关系。f）浓缩前后硅溶胶的剪切应力和剪切速率之间的关系。
图3.二氧化硅纳米纤维的形态和结构分析。通过a）模板化PVB、d）模板化PVA和g）自模板化静电纺丝方法获得的二氧化硅纳米纤维的截面SEM图像。通过b）PVB模板化、e）PVA模板化和h）自模板化静电纺丝方法获得的二氧化硅纳米纤维的TEM图像。超声处理后通过c）模板化PVB、f）模板化PVA和i）自模板化静电纺丝方法获得的二氧化硅纳米纤维的TEM图像。
图4.二氧化硅纳米纤维的微观孔隙结构分析。a）二氧化硅纳米纤维的氮气吸附和解吸曲线。b）二氧化硅纳米纤维的孔径分布曲线。c）二氧化硅纳米纤维的SAXS曲线。d）二氧化硅纳米纤维的SAXS 2D散射图案。e）二氧化硅纳米纤维的固态29Si NMR光谱。f）二氧化硅纳米纤维中硅原子Q2、Q3和Q4的比例。
图5.单根二氧化硅纳米纤维的机械性能分析。a）单根二氧化硅纳米纤维的拉伸力学试验装置的低放大倍率和b）高放大倍率SEM图像。c）单根二氧化硅纳米纤维的应力-应变曲线。d）单根二氧化硅纳米纤维的AFM图像和弹性模量映射。e）单根二氧化硅纳米纤维弹性模量的数学统计。f）通过自模板静电纺丝方法合成的单根二氧化硅纳米纤维的原位FIB-SEM操作。g）其他材料（硅基纤维、锆基纤维、碳纳米管纤维和石墨烯基纤维）与本工作中样品的强度和韧性比较。
图6.不同方法制备的二氧化硅纳米纤维力学性能差异的可能机制。
