李惠合作Science:具备超级隔热性能的陶瓷气凝胶

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在极端环境中，譬如需要再高温和反应气氛中操作的航空航天领域，材料必须同时具备超轻，高力学强度和绝热三大特点。实现这些种完全不同的功能需要对材料本身进行合理设计，通过多尺度多级次结构设计，以实时响应极端环境因素。


气凝胶是一种固体物质形态的混合物或复合物，是世界上密度最小的固体。气凝胶是由空气或自由空间与陶瓷，金属，颗粒，粉末或碳固体介质组成，其中空气或自由空间的比例> 99％。 因此，气凝胶可以非常轻。


其中，陶瓷气凝胶具有许多优异的性能，例如低密度，优异的隔热性和化学稳定性，可在腐蚀性环境中的高温条件下操作。因此，陶瓷气凝胶已经被广泛应用于航空航天等极端材料性能要求领域。

近期，哈尔滨工业大学的李惠研究员和加州大学洛杉矶分校的黄昱、段镶锋（共同通讯作者）等人利用三维石墨烯气凝胶模板设计合成了同时具有强大的机械和热学稳定性的氮化硼（hBNAGs）以及碳化硅（βSiCAGs）陶瓷气凝胶材料。这类陶瓷材料由纳米层状双窗格壁组成，整体呈现出超低密度的双曲线构造形态。而这一特殊结构赋予材料负泊松比（-0.25）以及负线性热膨胀系数（-1.8x10-6/℃），致使材料维持热稳定性的同时依然能表现出优异的可变形性和断裂韧性。在剧烈的热休克（大约275℃/s）以及长期高温暴露过程中，这类材料表现出优异的热稳定性以及几乎为零的强度损失。同时此种气凝胶还表现出超低的热导率（在真空中约为2.4 mW/m·K，在空气中约为20 mW/m·K），因此研究人员认为基于上述新型陶瓷气凝胶可以设计理想的超级隔热系统并在航天器等领域有所应用。2019年02月15日，相关成果以题为“Double-negative-index ceramic aerogels for thermal superinsulation”的文章在线发表在Science上。

1.Xiang Xu, Qiangqiang Zhang, Menglong Hao, Yu Huang, Xiangfeng Duan et al. Double-negative-indexceramic aerogels for thermal superinsulation. Science 2019, 363, 723-727.

http://science.sciencemag.org/content/363/6428/723