陶瓷氣凝膠或成航空航天新材料

2020-12-05 科學網

 

陶瓷氣凝膠因其超輕、耐火、耐腐蝕、耐高溫等特性，非常適合解決航空航天領域的隔熱問題，但其脆性、高溫析晶、熱震坍縮等問題嚴重製約了相關研究和應用。近日，哈爾濱工業大學、蘭州大學、美國加州大學洛杉磯分校、加州大學伯克利分校等高校研究人員，共同研究合成了米層狀結構的雙曲線結構陶瓷氣凝膠，通過結構設計實現了「負特性」的超材料，該材料可以極大增強傳統陶瓷氣凝膠材料的各項性能，甚至賦予其新的特性。相關研究結果近日發表於《科學》雜誌。

該研究成果基於5年的石墨烯氣凝膠基礎研究，並歷時2年完成。該論文第一作者、哈爾濱工業大學土木工程學院副教授徐翔向《中國科學報》介紹，前期的基礎研究完成了石墨烯氣凝膠的超彈性、負泊松比、超輕、導電、流體行為、耗能行為等研究。

負泊松比效應，是指受拉伸時，材料在彈性範圍內橫向發生膨脹，而受壓縮時，材料的橫向反而發生收縮。這種現象在熱力學上是可能的，但通常材料中並沒有普遍觀察到負泊松比效應的存在。

於是，研究團隊在負泊松比增強石墨烯氣凝膠變形特性的研究基礎上，採用在石墨烯氣凝膠模板原位沉積陶瓷的CVD技術，並通過加熱刻蝕模板的方法，使得製備所得的陶瓷氣凝膠不但獲得了負泊松比特性，並通過孔壁的「雙壁」亞結構，同時實現了陶瓷氣凝膠的負熱膨脹特性，從而極大增強了陶瓷氣凝膠的力學及熱學等性能。

據了解，與聚合物和環氧樹脂不同，陶瓷材料不易熔化、分解或軟化；與諸如有機物的其他物質相比，其化學鍵不因熱和紫外輻射而斷裂，且具有良好的導熱性。此外，陶瓷不會在深層空間的極端真空中排出氣體，具有優良的電氣隔離特性，即使在長久高溫下也有長壽命，是優質的航空航天材料之選。

徐翔表示，研究過程並非一帆風順，研究人員突破了諸多困難。陶瓷氣凝膠CVD的製備是研究的關鍵，為賦予陶瓷氣凝膠柔韌性，控制孔壁壁厚，提高陶瓷氣凝膠結晶性，並實現結構設計，研究人員歷經了近千次的反覆實驗。此外，陶瓷氣凝膠具有的超輕特性，使得商用測量系統無法測試其導熱係數。為此，研究團隊搭建了專門的測量設備，並進行了可靠性論證工作。

該論文通訊作者、加州大學洛杉磯分校化學系教授段鑲鋒告訴《中國科學報》，該陶瓷氣凝膠為解決陶瓷超輕結構的脆性問題，以及受熱析晶問題提供了研究思路，極大地促進了陶瓷氣凝膠在隔熱、催化、能源、環境治理、航空航天等領域的應用。

段鑲鋒表示，該項研究僅僅是一個開始，下一步研究團隊將繼續研製更柔韌，能適應更高工作溫度，具有更低導熱係數的陶瓷氣凝膠超輕結構，進一步促進陶瓷氣凝膠在多領域的廣泛應用。（來源：中國科學報 卜葉）

相關論文信息：DOI: 10.1126/science.aav7304

 

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