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陶瓷气凝胶技术获得新突破

发表于:2019-02-16

加州大学洛杉矶分校的研究人员和其他八家研究机构的合作者创造了一种非常轻,非常耐用的陶瓷气凝胶。这种材料可以用于像绝缘航天器这样的应用,因为它能够承受太空任务所承受的强烈的热量和剧烈的温度变化。


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自20世纪90年代以来,陶瓷气凝胶一直用于工业设备的绝缘,并被用于对NASA火星漫游者任务中的科学设备进行隔离。但是新的版本在暴露于极端高温和反复的温度峰值后更耐久,而且要轻得多。它独特的原子组成和微观结构也使它具有不同寻常的弹性。


当它被加热时,材料就会收缩,而不是像其他陶瓷一样膨胀。它也与压缩的方向垂直收缩-想象把一个网球压在桌子上,让球的中心向内移动而不是向外扩张-这与大多数物质在压缩时的反应相反。因此,与目前较先进的陶瓷气凝胶相比,这种材料的弹性和脆性要小得多:它可以压缩到原来体积的5%并完全恢复,而其他现有的气凝胶只能压缩到20%左右,然后完全恢复。


这项研究今天发表在科学由加州大学洛杉矶分校化学与生物化学教授段向峰、加州大学洛杉矶分校材料科学与工程教授黄宇和中国哈尔滨工业大学回力领导。该研究的第一位作者是哈尔滨理工大学加州大学洛杉矶分校(UCLA)化学博士后向旭、兰州大学张强强、加州大学伯克利分校(UC Berkeley)和东南大学(东南大学)的郝梦龙(Menglong Hao)。 


研究小组的其他成员来自加州大学伯克利分校、普渡大学、劳伦斯伯克利国家实验室、中国湖南大学、中国兰州大学和沙特阿拉伯沙特国王大学。


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尽管气凝胶的体积超过99%是空气,但气凝胶的重量在结构上非常坚固。它们可以由多种材料制成,包括陶瓷、碳或金属氧化物。与其他绝缘体相比,陶瓷基气凝胶在阻挡极端温度方面更有优势,而且它们具有极低的密度,并且具有很高的耐火和耐腐蚀性能-所有这些品质都能很好地应用于可重复使用的航天器。


但目前的陶瓷气凝胶是高度脆性和倾向于断裂后,反复暴露在极端的热和剧烈的温度波动,这两者都是常见的太空旅行。这种新材料是由薄层氮化硼(一种陶瓷)制成的,原子以六边形的形式连接在一起,就像鸡丝一样。


在加州大学洛杉矶分校(UCLA)领导的研究中,它经受住了通常会破坏其他气凝胶的条件.当工程师们在几秒钟内在零下198摄氏度到900度之间的测试容器中提高和降低温度时,它经受住了数百次突如其来的极端温度的冲击。在另一次测试中,它在1400摄氏度下保存了一周后,失去了不到1%的机械强度。


普通陶瓷材料通常在加热时膨胀,冷却时收缩。随着时间的推移,这些反复的温度变化可能导致这些材料断裂,并最终失效。新的气凝胶被设计成更耐用,做的正好相反-它收缩而不是在加热时膨胀。


此外,气凝胶垂直压缩的能力-就像网球一样-帮助它在反复快速的温度变化中存活下来。(该性质称为负泊松比。)它也有内部“墙”,加强了双窗格结构,这减少了材料的重量,同时增加了它的绝缘能力。


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