陶瓷氣凝膠因其超輕、耐火、耐腐蝕、耐高溫等特性，非常適合解決航空航天領(lǐng)域的隔熱問題，但其脆性、高溫析晶、熱震坍縮等問題嚴(yán)重制約了相關(guān)研究和應(yīng)用。近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、蘭州大學(xué)、美國加州大學(xué)洛杉磯分校、加州大學(xué)伯克利分校等高校研究人員，共同研究合成了米層狀結(jié)構(gòu)的雙曲線結(jié)構(gòu)陶瓷氣凝膠，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了“負(fù)特性”的超材料，該材料可以極大增強(qiáng)傳統(tǒng)陶瓷氣凝膠材料的各項(xiàng)性能，甚至賦予其新的特性。相關(guān)研究結(jié)果近日發(fā)表于《科學(xué)》雜志。
加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員和其他八個(gè)研究機(jī)構(gòu)的合作伙伴已經(jīng)發(fā)明了一種新型材料，這種輕質(zhì)氣凝膠由陶瓷制成，非常耐用，有朝一日可用于人類已知的一些極端條件 ，例如在重返地球大氣層時(shí)保護(hù)航天器不受大氣摩燃燒影響。陶瓷氣凝膠過去曾用于此類目的。
輕質(zhì)耐用陶瓷氣凝膠或成航空航天新材料
研究小組表示，他們創(chuàng)造的新氣凝膠在暴露于極熱和太空任務(wù)中看到的極端溫度變化后比以前的氣凝膠更耐用。這種材料具有獨(dú)特的原子組成和結(jié)構(gòu)，使其具有不同尋常的彈性。
當(dāng)材料被加熱時(shí)，它會(huì)收縮，而不是像大多數(shù)陶瓷那樣膨脹。這種新材料的另一個(gè)獨(dú)特特性是它垂直于壓縮方向收縮?？茖W(xué)家們說你可以想到這就好像一個(gè)網(wǎng)球向內(nèi)移動(dòng)而不是在壓在桌子上時(shí)伸展開來。這使得材料比現(xiàn)有陶瓷更柔韌，更不易碎。材料可壓縮至其原始體積的 5% 并完全恢復(fù)。相比之下，其他氣凝膠只能壓縮到其原始體積的約 20% 并仍然可以恢復(fù)。
輕質(zhì)耐用陶瓷氣凝膠或成航空航天新材料
這種材料是用氮化硼薄層制成，氮化硼是一種原子以六邊形連接的陶瓷材料。研究小組說，這種材料在 1400 攝氏度的溫度下存放一周后，其機(jī)械強(qiáng)度損失不到 1%。
該研究成果基于5年的石墨烯氣凝膠基礎(chǔ)研究，并歷時(shí)2年完成。該論文第一作者、哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院副教授徐翔向《中國科學(xué)報(bào)》介紹，前期的基礎(chǔ)研究完成了石墨烯氣凝膠的超彈性、負(fù)泊松比、超輕、導(dǎo)電、流體行為、耗能行為等研究。
負(fù)泊松比效應(yīng)，是指受拉伸時(shí)，材料在彈性范圍內(nèi)橫向發(fā)生膨脹，而受壓縮時(shí)，材料的橫向反而發(fā)生收縮。這種現(xiàn)象在熱力學(xué)上是可能的，但通常材料中并沒有普遍觀察到負(fù)泊松比效應(yīng)的存在。
于是，研究團(tuán)隊(duì)在負(fù)泊松比增強(qiáng)石墨烯氣凝膠變形特性的研究基礎(chǔ)上，采用在石墨烯氣凝膠模板原位沉積陶瓷的CVD技術(shù)，并通過加熱刻蝕模板的方法，使得制備所得的陶瓷氣凝膠不但獲得了負(fù)泊松比特性，并通過孔壁的“雙壁”亞結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了陶瓷氣凝膠的負(fù)熱膨脹特性，從而極大增強(qiáng)了陶瓷氣凝膠的力學(xué)及熱學(xué)等性能。
據(jù)了解，與聚合物和環(huán)氧樹脂不同，陶瓷材料不易熔化、分解或軟化；與諸如有機(jī)物的其他物質(zhì)相比，其化學(xué)鍵不因熱和紫外輻射而斷裂，且具有良好的導(dǎo)熱性。此外，陶瓷不會(huì)在深層空間的極端真空中排出氣體，具有優(yōu)良的電氣隔離特性，即使在長久高溫下也有長壽命，是優(yōu)質(zhì)的航空航天材料之選。
徐翔表示，研究過程并非一帆風(fēng)順，研究人員突破了諸多困難。陶瓷氣凝膠CVD的制備是研究的關(guān)鍵，為賦予陶瓷氣凝膠柔韌性，控制孔壁壁厚，提高陶瓷氣凝膠結(jié)晶性，并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究人員歷經(jīng)了近千次的反復(fù)實(shí)驗(yàn)。此外，陶瓷氣凝膠具有的超輕特性，使得商用測(cè)量系統(tǒng)無法測(cè)試其導(dǎo)熱系數(shù)。為此，研究團(tuán)隊(duì)搭建了專門的測(cè)量設(shè)備，并進(jìn)行了可靠性論證工作。
該論文通訊作者、加州大學(xué)洛杉磯分校化學(xué)系教授段鑲鋒告訴《中國科學(xué)報(bào)》，該陶瓷氣凝膠為解決陶瓷超輕結(jié)構(gòu)的脆性問題，以及受熱析晶問題提供了研究思路，極大地促進(jìn)了陶瓷氣凝膠在隔熱、催化、能源、環(huán)境治理、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。
段鑲鋒表示，該項(xiàng)研究僅僅是一個(gè)開始，下一步研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)研制更柔韌，能適應(yīng)更高工作溫度，具有更低導(dǎo)熱系數(shù)的陶瓷氣凝膠超輕結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步促進(jìn)陶瓷氣凝膠在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
