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陶瓷氣凝膠技術獲得新突破

發表于:2019-02-16

加州大學洛杉磯分校的研究人員和其他八家研究機構的合作者創造了一種非常輕,非常耐用的陶瓷氣凝膠。這種材料可以用于像絕緣航天器這樣的應用,因為它能夠承受太空任務所承受的強烈的熱量和劇烈的溫度變化。


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自20世紀90年代以來,陶瓷氣凝膠一直用于工業設備的絕緣,并被用于對NASA火星漫游者任務中的科學設備進行隔離。但是新的版本在暴露于極端高溫和反復的溫度峰值后更耐久,而且要輕得多。它獨特的原子組成和微觀結構也使它具有不同尋常的彈性。


當它被加熱時,材料就會收縮,而不是像其他陶瓷一樣膨脹。它也與壓縮的方向垂直收縮-想象把一個網球壓在桌子上,讓球的中心向內移動而不是向外擴張-這與大多數物質在壓縮時的反應相反。因此,與目前較先進的陶瓷氣凝膠相比,這種材料的彈性和脆性要小得多:它可以壓縮到原來體積的5%并完全恢復,而其他現有的氣凝膠只能壓縮到20%左右,然后完全恢復。


這項研究今天發表在科學由加州大學洛杉磯分校化學與生物化學教授段向峰、加州大學洛杉磯分校材料科學與工程教授黃宇和中國哈爾濱工業大學回力領導。該研究的第一位作者是哈爾濱理工大學加州大學洛杉磯分校(UCLA)化學博士后向旭、蘭州大學張強強、加州大學伯克利分校(UC Berkeley)和東南大學(東南大學)的郝夢龍(Menglong Hao)。 


研究小組的其他成員來自加州大學伯克利分校、普渡大學、勞倫斯伯克利國家實驗室、中國湖南大學、中國蘭州大學和沙特阿拉伯沙特國王大學。


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盡管氣凝膠的體積超過99%是空氣,但氣凝膠的重量在結構上非常堅固。它們可以由多種材料制成,包括陶瓷、碳或金屬氧化物。與其他絕緣體相比,陶瓷基氣凝膠在阻擋極端溫度方面更有優勢,而且它們具有極低的密度,并且具有很高的耐火和耐腐蝕性能-所有這些品質都能很好地應用于可重復使用的航天器。


但目前的陶瓷氣凝膠是高度脆性和傾向于斷裂后,反復暴露在極端的熱和劇烈的溫度波動,這兩者都是常見的太空旅行。這種新材料是由薄層氮化硼(一種陶瓷)制成的,原子以六邊形的形式連接在一起,就像雞絲一樣。


在加州大學洛杉磯分校(UCLA)領導的研究中,它經受住了通常會破壞其他氣凝膠的條件.當工程師們在幾秒鐘內在零下198攝氏度到900度之間的測試容器中提高和降低溫度時,它經受住了數百次突如其來的極端溫度的沖擊。在另一次測試中,它在1400攝氏度下保存了一周后,失去了不到1%的機械強度。


普通陶瓷材料通常在加熱時膨脹,冷卻時收縮。隨著時間的推移,這些反復的溫度變化可能導致這些材料斷裂,并最終失效。新的氣凝膠被設計成更耐用,做的正好相反-它收縮而不是在加熱時膨脹。


此外,氣凝膠垂直壓縮的能力-就像網球一樣-幫助它在反復快速的溫度變化中存活下來。(該性質稱為負泊松比。)它也有內部“墻”,加強了雙窗格結構,這減少了材料的重量,同時增加了它的絕緣能力。


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