氣凝膠作為保溫材料的輕質替代品具有廣泛的前景。 然而，氣凝膠的機械穩定性較差，且阻礙了進一步向商業化的進展。2019年2月15日，哈爾濱工業大學李惠、北京理工大學客座教授黃昱等在Science上聯合發表了題為「Double-negative-indexceramic aerogels for thermalsuperinsulation」的文章。該研究使用了三維石墨烯結構模板化陶瓷氣凝膠，從而生產出機械穩定性極強的超絕緣材料。這也是哈爾濱工業大學首次以通訊單位在上Science上發表研究文章。
在極端條件下，例如快速的溫度變化和航空航天和火力發電領域的長期高溫暴露，絕熱需要極強的穩定性和可靠性，以保護人身和財產。由於陶瓷氣凝膠密度低，導熱係數低，耐火和耐腐蝕性等優點，使它成為了絕佳的隔熱材料。然而，由於它的脆性和結晶誘導的粉碎行為，陶瓷氣凝膠經常在較大的熱梯度或時間延長的高溫暴露下遭受嚴重的強度降低和結構坍塌。著可能導致災難性破壞的降解實例包括二氧化矽氣凝膠中的結構裂縫，SiC氣凝膠的強度降低和氧化鋁氣凝膠的體積收縮。因此，堅固的機械和熱穩定性是使用陶瓷氣凝膠在極端條件下可靠隔熱的關鍵障礙。
先前提高材料熱穩定性的研究主要集中在通過製造柔性無定形一維（1D）纖維結構來克服脆性。纖維增強的SiO2氣凝膠，SiO2納米纖維氣凝膠，SiC納米線氣凝膠，氧化鋁納米晶，氧化物陶瓷（TiO2，ZrO2和BaTiO3）納米纖維海綿，以及BN纖維氣凝膠已經研究出具有大的，可恢復的可變形性（高達80％壓縮應變）衍生自彈性纖維結構。然而，由於這些陶瓷材料的大的熱膨脹和粉碎行為以及1D纖維之間的弱點連接圖案，這種纖維狀陶瓷氣凝膠在快速熱衝擊或高溫下仍然遭受結構退化。此外，1D纖維結構單元導致互連的宏觀尺度的孔隙，這種結構不能有效地減輕空氣中的固體傳導或對流。因此，纖維狀陶瓷氣凝膠的熱導率通常高於靜止空氣的熱導率[24毫瓦每米 - 開爾文（mW /m·K）]。
陶瓷氣凝膠超材料的結構設計與製備
在這裡，該研究設計併合成的具有納米雙層玻璃壁的雙曲線結構陶瓷氣凝膠，其具有負泊松比（-0.25）和負線性熱膨脹係數（-1.8×10-6 /°C）。 我們的氣凝膠具有強大的機械和熱穩定性，超低密度可達~0.1毫克/立方釐米，超彈性高達95％，在劇烈熱衝擊（275°C /秒）或1400°C強熱應力後幾乎沒有強度損失。該材料在真空中的超低導熱係數[~2.4毫瓦/米 - 開爾文（mW / m·K）]和空氣中的導熱係數（~20mW / m·K）。 這種堅固的材料系統非常適用於當作極端條件下的熱超絕緣體使用，例如製造太空飛行器所需的部分材料。
通訊介紹
李惠，博士、教授、博士生導師，長江學者特聘教授，國家傑出青年科學基金獲得者。2006年獲第三屆「中國青年女科學家獎」提名獎，2015獲「國際結構健康監測年度風雲人物」稱號。2018年5月，入選第三批國家「萬人計劃」科技創新領軍人才。主要研究方向為結構健康監測、結構振動控制、智能與高強混凝土及結構。
主持研究或完成1項國家傑出青年科學基金、1項國家自然科學基金重點項目（子題）、2項面上項目，2項國家863計劃探索項目，1項教育部跨世紀優秀人才計劃和1項省傑出青年基金、1項交通部西部建設科技計劃等多項省部級項目。獲省部級科技進步一等獎1項、二等獎2項(排名1、2)、三等獎2項、國家專利7項；出版專著2部，在國內外期刊發表論文150篇，其中10篇SCI，30篇EI，25篇ISTP，3篇國際會議大會報告；應邀在美國加州理工學院、南加州大學、加州Irvine分校和休斯頓大學等國際知名大學講學；在多個國際會議上擔任重要職務。
在結構振動控制領域，對結構主動與半主動控制系統、試驗、算法、設計方法和工程應用進行了系統研究。1997年率先將被動耗能減震技術應用於建築結構抗震加固中；2000年以來，系統發展了地震損傷自監測與自控制形狀記憶合金智能土木工程結構；2003年與歐進萍院士合作，在國內外首次建立了結構振動控制系統統一設計方法；2004年牽頭和合作完成了世界上第二個磁流變液智能阻尼減振系統的工程應用，是國際土木工程領域發現並揭示負剛度控制現象的三人之一。
在結構健康監測領域，發展了基於SMA和碳纖維的損傷自感知與自修復兩種智能土木工程結構；研究了橋梁結構健康監測系統設計方法與實現技術；牽頭和合作完成了世界上第一座大量使用光纖傳感器的大跨橋梁結構健康監測系統的設計與實施；建立了大跨斜拉橋健康監測系統的第一代和第二代Benchmark模型；本項目的有關成果已經在國家遊泳中心（2008奧運會）、山東濱州黃河公路大橋、山東東營黃河公路大橋、哈爾濱松花江斜拉橋等大型結構上得到應用。
在智能與高性能混凝土及結構方向，在國內外首先提出並系統研究了納米機敏混凝土及其多功能特性（壓敏特性及其機理、力學性能及其機理，耐久性及其機理）；發展了機敏混凝土傳感器，並將其應用於大型橋梁結構健康監測中。建立了約束高強混凝土統一本構關係；提出了以鋼管混凝土疊合柱為核心的新型高強混凝土組合結構，系統研究了該類新型組合結構的抗震性能，建立了相應的抗震設計方法，上述成果已經在20餘棟高層建築上得到應用，並編制了高強混凝土疊合柱設計規程，出版了《高強混凝土及其組合結構》。
來源：iNature 糖皮質激素