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又一篇Science!太神奇了,東大有朵花不怕“火燒”!

2019年03月07日 14:07:46 | 作者: 黃迪 王健安 | 來源:幸運快樂8開獎網 | 點擊:正在獲取...

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  當陶瓷氣凝膠遇上一朵花,會發生怎樣的故事?你看它輕盈自若,不管烈火如何灼燒,在陶瓷氣凝膠的保護下花朵安然無恙。

  日前,東南大學能源與環境學院青年教師郝夢龍團隊與美國加州大學洛杉磯分校等單位合作研制出了一種超輕且極其耐用的陶瓷氣凝膠——具有中空孔壁結構的氮化硼(hBN)新型隔熱氣凝膠,雙方以共同一作身份在Science發表了該研究成果。這項技術未來有望在航空航天熱控、建筑節能等方面得到廣泛應用。

  在目前的市場上,氣凝膠因其超低熱導率,是極具前景的新一代隔熱材料。然而,目前市場上的氣凝膠由于性能差異,在航空航天等極端環境下的應用尚有不足,如二氧化硅氣凝膠的密度較大,會增加航天器載荷;石墨烯氣凝膠在空氣中易氧化,難以承受返回艙再入大氣層時的高溫等。市場急需一種性能優異,能適應諸多極端環境的新型氣凝膠。

  團隊研究發現,將氮化硼(hBN)氣凝膠做成獨特的中空孔壁結構,能有效解決傳統氣凝膠的許多缺點,如熱穩定性差、易碎、密度大等。于是他們從性能目標出發,對材料進行了理性設計,重新設計了化學組成和多尺度結構。

  第一步,團隊選用hBN作為基本構造單元,以獲得空氣中的高溫熱穩定性。接下來,他們利用先在石墨烯氣凝膠模板上沉積hBN納米層,然后再刻蝕掉模板的獨特方法,得到了特別的中空孔壁結構,這樣能進一步降低導熱截面和有效熱導率。不僅如此,他們還通過調控氣凝膠成型過程中的冷卻方式,使片狀hBN形成了雙曲線型微觀排列,并由此導致材料展現出具有負泊松比的機械超穩定結構。

  新研發的陶瓷氣凝膠由氮化硼薄層制成,是一種原子以六邊形網格狀(類似鐵絲網)連接的陶瓷材料。實驗測試表明,這種材料結構在各項指標上都獲得了優異的性能,包括極低的密度(0.1mg/ml)、高溫穩定性(1400°C)、超低熱導率(真空中可低至2.4mW/m•K)、超彈性(95%形變)、熱震穩定(275°C/s)、以及負熱膨脹系數。

  也就是說,新型材料會更輕,在高溫下機械強度損失更小。有意思的是,新材料被加熱時會收縮,而不是像其他陶瓷一樣膨脹,因而比目前最先進的陶瓷氣凝膠更柔韌,更具彈性:它可以被壓縮到原始體積的5%并完全恢復;而其他現有的氣凝膠只能壓縮到約20%然后完全恢復。

  新材料已經受到了業界知名人士的高度評價,劍橋大學材料系的Chhowalla教授在受邀為Science撰寫的評論文章中指出,該氣凝膠開創了一種全新的用二維材料搭建成的三維結構的類型,這些材料在需求高比表面積的各種應用中有著極大的潛在價值,例如熱能催化、電化學儲能等。

  更令人興奮的是,未來如果能夠在降低光學吸收率上深入研究,此類材料將有可能成為“光帆”等星際航行器的主要結構。

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  (來源:江蘇教育頻道/黃迪 王健安 編輯/韓瑜)

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