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哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木學(xué)院李惠和徐翔教授在陶瓷氣凝膠隔熱領(lǐng)域取得重要研究成果,該論文于北京時(shí)間6月29日晚,以《半晶質(zhì)陶瓷氣凝膠極端隔熱材料》(Hypocrystalline ceramic aerogels for thermal insulation at extreme conditions)為題發(fā)表在Nature(最新影響因子為69.504)上。
論文鏈接https://www.nature.com/articles/s41586-022-04784-0

陶瓷氣凝膠隔熱領(lǐng)域取得重要成果!

該研究為是兩位教授2019年發(fā)表于Science的成果《雙負陶瓷氣凝膠超隔熱材料》之后的延申研究,對滿(mǎn)足我國航天等領(lǐng)域在極端、復雜服役條件下的隔熱保溫、減重增容、節能降耗、系統安全和性能穩定,具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

極端條件(例如深空和深地等環(huán)境中復雜機械載荷和劇烈溫度變化)下的熱控制,要求隔熱材料具備優(yōu)異的熱-力學(xué)特性和隔熱性能。傳統陶瓷氣凝膠超隔熱材料存在困擾其近百年的“力熱互斥”瓶頸難題,例如陶瓷無(wú)定形態(tài)增韌的同時(shí)引發(fā)高溫析晶粉化,低熱膨脹效應受困于結構幾何構型和力學(xué)特性,力熱協(xié)同增強的同時(shí)犧牲隔熱性能,以及低密度降低聲子傳熱的同時(shí)無(wú)法有效阻隔高溫熱輻射等,難以滿(mǎn)足實(shí)際極端環(huán)境熱控制需求。

鑒于此,該論文報道了一種氣凝膠多尺度超結構設計和制備方法,采用半晶質(zhì)(hypocrystalline)陶瓷材料設計結合zig-zag宏觀(guān)結構設計,賦予陶瓷氣凝膠近零泊松比(3.3×10-4)和近零熱膨脹(1.2×10-7/℃)的“雙零”反常規物理性質(zhì),從而獲得了輕質(zhì)超柔韌、高熱穩定性及高溫超隔熱等特性。

同時(shí),研究團隊創(chuàng )新提出了一種“氣體湍流”輔助靜電紡絲直接制備三維納米纖維陶瓷氣凝膠的方法,拓展了傳統靜電紡絲制備二維膜材料的束縛,為實(shí)現材料的多尺度超結構設計、高性能、大規模及低成本制備提供了新思路和新方法。

圖為研究結果之一,半晶質(zhì)雙零陶瓷氣凝膠超彈及高溫隔熱性能
圖為研究結果之一,半晶質(zhì)雙零陶瓷氣凝膠超彈及高溫隔熱性能

該材料彈性可恢復壓縮應變高達95%,兼具優(yōu)異的拉伸(斷裂應變>40%)和彎曲(彎曲應變>90%)變形能力;1萬(wàn)次高頻劇烈熱震(約200℃/s)以及長(cháng)期高溫(>1000℃)有氧暴露下強度損失及體積收縮幾乎為零;此外,半晶質(zhì)陶瓷對碳展現了更強的包覆能力,提高了碳材料的高溫抗氧化性能,從而有效阻隔了高溫熱輻射,實(shí)現了“低密度”陶瓷氣凝膠目前最低高溫導熱系數(20mg/cm3、1000℃下小于100mW/mK),彌補了輕質(zhì)氣凝膠材料在高溫隔熱領(lǐng)域的短板。該材料同時(shí)具備電容式自感知特性,可實(shí)時(shí)監測隔熱材料的結構損傷,進(jìn)一步增強了熱控制系統的安全可靠性。

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