超級隔熱陶瓷氣凝膠可用于航天領域

超級隔熱陶瓷氣凝膠材料在高溫下保持了結構穩定的良好力學和耐高溫性能。蘭州大學供圖

　　蘭州大學土木工程與力學學院青年教授張強強與哈爾濱工業大學、美國加州大學洛杉磯分校和伯克利分校的學者合作，研制出一種同時具備超輕、高力學強度和超級隔熱三大特點的陶瓷氣凝膠。利用其設計的超級隔熱系統可應用于航天器等領域。該成果日前在線發表于《科學》。

　　張強強介紹說，氣凝膠結構堅固，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、低熱導率和良好的耐火、耐腐蝕特性，被認為是理想的隔熱材料。自20世紀90年代以來，陶瓷氣凝膠一直應用于工業設備隔熱，也被用于美國宇航局的火星探測器中。

　　然而，質脆以及晶化誘導的粉碎行為，使陶瓷氣凝膠在顯著的溫度梯度變化或長期高溫暴露中表現出嚴重的強度退化，甚至破裂的現象。鑒于極端條件下的隔熱要求，材料應具備異常優異的穩定性，同時具備強大的機械和熱學穩定性。這成為陶瓷氣凝膠在隔熱領域進一步發展應用的主要障礙。

　　此次研究人員利用多尺度結構化設計和三維石墨烯氣凝膠模板化制備，合成了同時具有強大的機械和熱學穩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，整體呈現出超低密度的雙曲線構造形態。這一特殊結構使材料在維持熱穩定性的同時依然表現出優異的可變形性和斷裂韌性。同時，在劇烈的熱振測試以及長期高溫暴露過程中，這類材料表現出優異的熱穩定性，機械強度損失不到1%。另一方面，從2D納米片獲得的3D分層結構將氣凝膠分成微小的單元，使得它們之間的空氣對流減少，從而實現低于空氣的超低的熱導率。因此，這種材料可承受數百次溫度在幾秒鐘內升高到900℃然后降低到－198℃的劇烈波動。