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(yè)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(tǒng)可應用于航天器等領域。該成果日前在線發(fā)表于《科學》。

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

       張強強介紹說，氣凝膠結(jié)構(gòu)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(yè)設備隔熱，也被用于美國宇航局的火星探測器中。

       然而，質(zhì)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(xiàn)出嚴重的強度退化，甚至破裂的現(xiàn)象。鑒于極端條件下的隔熱要求，材料應具備異常優(yōu)異的穩(wěn)定性，同時具備強大的機械和熱學穩(wěn)定性。這成為陶瓷氣凝膠在隔熱領域進一步發(fā)展應用的主要障礙。

       此次研究人員利用多尺度結(jié)構(gòu)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(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)定性的同時依然表現(xiàn)出優(yōu)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(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(xiàn)低于空氣的超低的熱導率。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。