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轻质耐用陶瓷气凝胶或成航空航天新材料

来源:热象纳米团队 日期:2019/7/15 10:34:14 人气:115

陶瓷气凝胶因其超轻、耐火、耐腐蚀、耐高温等特性,非常适合解决航空航天领域的隔热问题,但其脆性、高温析晶、热震坍缩等问题严重制约了相关研究和应用。近日,哈尔滨工业大学、兰州大学、美国加州大学洛杉矶分校、加州大学伯克利分校等高校研究人员,共同研究合成了米层状结构的双曲线结构陶瓷气凝胶,通过结构设计实现了“负特性”的超材料,该材料可以极大增强传统陶瓷气凝胶材料的各项性能,甚至赋予其新的特性。相关研究结果近日发表于《科学》杂志。

加州大学洛杉矶分校的研究人员和其他八个研究机构的合作伙伴已经发明了一种新型材料,这种轻质气凝胶由陶瓷制成,非常耐用,有朝一日可用于人类已知的一些极端条件 ,例如在重返地球大气层时保护航天器不受大气摩燃烧影响。陶瓷气凝胶过去曾用于此类目的。

轻质耐用陶瓷气凝胶或成航空航天新材料

轻质耐用陶瓷气凝胶或成航空航天新材料

研究小组表示,他们创造的新气凝胶在暴露于极热和太空任务中看到的极端温度变化后比以前的气凝胶更耐用。这种材料具有独特的原子组成和结构,使其具有不同寻常的弹性。

当材料被加热时,它会收缩,而不是像大多数陶瓷那样膨胀。这种新材料的另一个独特特性是它垂直于压缩方向收缩。科学家们说你可以想到这就好像一个网球向内移动而不是在压在桌子上时伸展开来。这使得材料比现有陶瓷更柔韧,更不易碎。材料可压缩至其原始体积的 5% 并完全恢复。相比之下,其他气凝胶只能压缩到其原始体积的约 20% 并仍然可以恢复。

轻质耐用陶瓷气凝胶或成航空航天新材料

轻质耐用陶瓷气凝胶或成航空航天新材料

这种材料是用氮化硼薄层制成,氮化硼是一种原子以六边形连接的陶瓷材料。研究小组说,这种材料在 1400 摄氏度的温度下存放一周后,其机械强度损失不到 1%。

该研究成果基于5年的石墨烯气凝胶基础研究,并历时2年完成。该论文第一作者、哈尔滨工业大学土木工程学院副教授徐翔向《中国科学报》介绍,前期的基础研究完成了石墨烯气凝胶的超弹性、负泊松比、超轻、导电、流体行为、耗能行为等研究。

负泊松比效应,是指受拉伸时,材料在弹性范围内横向发生膨胀,而受压缩时,材料的横向反而发生收缩。这种现象在热力学上是可能的,但通常材料中并没有普遍观察到负泊松比效应的存在。

于是,研究团队在负泊松比增强石墨烯气凝胶变形特性的研究基础上,采用在石墨烯气凝胶模板原位沉积陶瓷的CVD技术,并通过加热刻蚀模板的方法,使得制备所得的陶瓷气凝胶不但获得了负泊松比特性,并通过孔壁的“双壁”亚结构,同时实现了陶瓷气凝胶的负热膨胀特性,从而极大增强了陶瓷气凝胶的力学及热学等性能。

据了解,与聚合物和环氧树脂不同,陶瓷材料不易熔化、分解或软化;与诸如有机物的其他物质相比,其化学键不因热和紫外辐射而断裂,且具有良好的导热性。此外,陶瓷不会在深层空间的极端真空中排出气体,具有优良的电气隔离特性,即使在长久高温下也有长寿命,是优质的航空航天材料之选。

徐翔表示,研究过程并非一帆风顺,研究人员突破了诸多困难。陶瓷气凝胶CVD的制备是研究的关键,为赋予陶瓷气凝胶柔韧性,控制孔壁壁厚,提高陶瓷气凝胶结晶性,并实现结构设计,研究人员历经了近千次的反复实验。此外,陶瓷气凝胶具有的超轻特性,使得商用测量系统无法测试其导热系数。为此,研究团队搭建了专门的测量设备,并进行了可靠性论证工作。

该论文通讯作者、加州大学洛杉矶分校化学系教授段镶锋告诉《中国科学报》,该陶瓷气凝胶为解决陶瓷超轻结构的脆性问题,以及受热析晶问题提供了研究思路,极大地促进了陶瓷气凝胶在隔热、催化、能源、环境治理、航空航天等领域的应用。

段镶锋表示,该项研究仅仅是一个开始,下一步研究团队将继续研制更柔韧,能适应更高工作温度,具有更低导热系数的陶瓷气凝胶超轻结构,进一步促进陶瓷气凝胶在多领域的广泛应用。


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