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段鑲鋒/黃昱攜手哈工大Science:超級(jí)氣凝膠隔熱材料!
信息來(lái)源:本站 | 發(fā)布日期: 2019-02-20 13:54:03 | 瀏覽量:936069
極端環(huán)境對(duì)新材料的迫切需求 在極端環(huán)境中,譬如需要再高溫和反應(yīng)氣氛中操作的航空航天領(lǐng)域,材料必須同時(shí)具備超輕,高力學(xué)強(qiáng)度和絕熱三大特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這些種完全不同的功能需要對(duì)材料本身進(jìn)行合理設(shè)計(jì),通過(guò)多尺度多級(jí)次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以實(shí)時(shí)響應(yīng)極端環(huán)境因素。 陶瓷…
在極端環(huán)境中,譬如需要再高溫和反應(yīng)氣氛中操作的航空航天領(lǐng)域,材料必須同時(shí)具備超輕,高力學(xué)強(qiáng)度和絕熱三大特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這些種完全不同的功能需要對(duì)材料本身進(jìn)行合理設(shè)計(jì),通過(guò)多尺度多級(jí)次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以實(shí)時(shí)響應(yīng)極端環(huán)境因素。
陶瓷氣凝膠在極端環(huán)境中的應(yīng)用
氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)的混合物或復(fù)合物,是世界上密度最小的固體。氣凝膠是由空氣或自由空間與陶瓷,金屬,顆粒,粉末或碳固體介質(zhì)組成,其中空氣或自由空間的比例> 99%。 因此,氣凝膠可以非常輕。
其中,陶瓷氣凝膠具有許多優(yōu)異的性能,例如低密度,優(yōu)異的隔熱性和化學(xué)穩(wěn)定性,可在腐蝕性環(huán)境中的高溫條件下操作。因此,陶瓷氣凝膠已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天等極端材料性能要求領(lǐng)域。
陶瓷氣凝膠亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題
典型的陶瓷材料如二氧化硅,氧化鋁和碳化硅的氣凝膠非常脆,在應(yīng)力下,特別是在高溫或突然的熱沖擊下易碎。用于減輕陶瓷氣凝膠脆性的常規(guī)策略又經(jīng)常導(dǎo)致其他性能的降低,例如導(dǎo)熱性的增加。
通過(guò)非常規(guī)策略的多尺度多級(jí)次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以獲得既具有負(fù)泊松比(使其在拉伸時(shí)沿法線方向膨脹),又具有負(fù)熱膨脹系數(shù)(使其在加熱時(shí)收縮)的雙負(fù)指數(shù)材料,從而提高斷裂韌性并減輕陶瓷的脆性。
然而,由于加工限制,制造具有分層結(jié)構(gòu)的塊狀三維陶瓷超材料氣凝膠依然困難重重!
成果簡(jiǎn)介
有鑒于此,加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒、黃昱團(tuán)隊(duì)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)Hui Li團(tuán)隊(duì)合作,報(bào)道了一種具有雙曲結(jié)構(gòu)的三維hBN陶瓷氣凝膠,同時(shí)具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)和負(fù)的泊松比,具備超輕、高力學(xué)強(qiáng)度和超級(jí)隔熱三大特點(diǎn)。
要點(diǎn)1:制備策略
研究人員首先使用先前報(bào)道的技術(shù)制造石墨烯氣凝膠,用作犧牲模板,在其上生長(zhǎng)hBN層。 因?yàn)閔BN具有高度抗氧化性并且在空氣中的熱穩(wěn)定性優(yōu)于石墨烯,所以石墨烯模板可以通過(guò)氧化的方法很容易除去以留下純hBN氣凝膠。最終,研究人員得到hBN(2D陶瓷)原子薄壁雙曲氣凝膠,其中相互連接的有晶格缺陷的原子級(jí)超薄平面形成蜂窩網(wǎng)絡(luò)。,
要點(diǎn)2:設(shè)計(jì)原理
一方面,從2D材料獲得的氣凝膠具有2D納米片的面對(duì)面堆疊,使得氣凝膠的胞壁由最小厚度的材料組成,具有極高的機(jī)械強(qiáng)度。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,從而能夠?qū)崿F(xiàn)低于空氣的熱導(dǎo)率。
要點(diǎn)3:優(yōu)異性能
這種氣凝膠具有負(fù)泊松比(-0.25)和負(fù)的線性熱膨脹系數(shù)(-1.8X10-6 per ℃),以下優(yōu)點(diǎn)將使之在極端條件下極具應(yīng)用前景,譬如太空飛行器的隔熱罩等極端應(yīng)用:
1. 超輕:密度接近0.1 mg cm-3。:2
2. 超低導(dǎo)熱性:真空和空氣中的熱導(dǎo)分別約為2.4 mW/m K和20 mW/m K。
3. 超高力學(xué)性能:高達(dá)95%的超高彈性變形,具有數(shù)百次循環(huán)的抗熱沖擊性,在275℃/s熱沖擊或1400℃強(qiáng)烈熱應(yīng)力下強(qiáng)度損失幾乎為零。
總之,這項(xiàng)研究為超輕質(zhì)材料在各種極端環(huán)境中的力學(xué)和熱性能的合理設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的路徑。
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