蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院青年教授張強(qiáng)強(qiáng)與哈爾濱工業(yè)大學(xué)、美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校和伯克利分校的學(xué)者合作，研制出一種同時(shí)具備超輕、高力學(xué)強(qiáng)度和超級(jí)隔熱三大特點(diǎn)的陶瓷氣凝膠。利用其設(shè)計(jì)的超級(jí)隔熱系統(tǒng)可應(yīng)用于航天器等領(lǐng)域。該成果日前在線發(fā)表于《科學(xué)》。

超級(jí)隔熱陶瓷氣凝膠材料在高溫下保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的良好力學(xué)和耐高溫性能。蘭州大學(xué)供圖

       張強(qiáng)強(qiáng)介紹說，氣凝膠結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可由陶瓷、碳或金屬氧化物等許多材料制成。與其他絕緣體相比，陶瓷氣凝膠以其低密度、低熱導(dǎo)率和良好的耐火、耐腐蝕特性，被認(rèn)為是理想的隔熱材料。自 20 世紀(jì) 90 年代以來，陶瓷氣凝膠一直應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備隔熱，也被用于美國(guó)宇航局的火星探測(cè)器中。

       然而，質(zhì)脆以及晶化誘導(dǎo)的粉碎行為，使陶瓷氣凝膠在顯著的溫度梯度變化或長(zhǎng)期高溫暴露中表現(xiàn)出嚴(yán)重的強(qiáng)度退化，甚至破裂的現(xiàn)象。鑒于極端條件下的隔熱要求，材料應(yīng)具備異常優(yōu)異的穩(wěn)定性，同時(shí)具備強(qiáng)大的機(jī)械和熱學(xué)穩(wěn)定性。這成為陶瓷氣凝膠在隔熱領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用的主要障礙。

       此次研究人員利用多尺度結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和三維石墨烯氣凝膠模板化制備，合成了同時(shí)具有強(qiáng)大的機(jī)械和熱學(xué)穩(wěn)定性的氮化硼以及碳化硅陶瓷氣凝膠材料。這類陶瓷材料由納米層狀雙窗格壁組成，整體呈現(xiàn)出超低密度的雙曲線構(gòu)造形態(tài)。這一特殊結(jié)構(gòu)使材料在維持熱穩(wěn)定性的同時(shí)依然表現(xiàn)出優(yōu)異的可變形性和斷裂韌性。同時(shí)，在劇烈的熱振測(cè)試以及長(zhǎng)期高溫暴露過程中，這類材料表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，機(jī)械強(qiáng)度損失不到 1%。另一方面，從 2D 納米片獲得的 3D 分層結(jié)構(gòu)將氣凝膠分成微小的單元，使得它們之間的空氣對(duì)流減少，從而實(shí)現(xiàn)低于空氣的超低的熱導(dǎo)率。因此，這種材料可承受數(shù)百次溫度在幾秒鐘內(nèi)升高到 900℃ 然后降低到 －198℃ 的劇烈波動(dòng)。