我國在陶瓷氣凝膠極端隔熱材料研究方面取得新進展

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)李惠教授和徐翔教授團隊與合作者在陶瓷氣凝膠極端隔熱材料研究方面取得進展，相關(guān)成果以Hypocrystalline ceramic aerogels for thermal insulation at extreme conditions為題，在線發(fā)表在Nature上。

因陶瓷無定形態(tài)增韌會引起高溫析晶粉化，力熱一體化增強將降低超隔熱性能，低密度特性降低聲子傳熱卻難以阻隔高溫?zé)彷椛涞?，?dǎo)致傳統(tǒng)陶瓷氣凝膠超隔熱材料在極端環(huán)境下隔熱性能下降甚至失效。

研究團隊發(fā)明了三維湍流輔助靜電紡絲工藝，制備出高性能半晶質(zhì)（Hypocrystalline）陶瓷材料及氣凝膠。通過陶瓷材料巧妙的半晶質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計，以無定形結(jié)構(gòu)作為晶界限制晶體結(jié)構(gòu)滑移及晶體結(jié)構(gòu)釘扎無定形結(jié)構(gòu)高溫蠕變，并激發(fā)材料高階變形模式，實現(xiàn)了氣凝膠近零泊松比和近零熱膨脹的“雙零”反常規(guī)物理性質(zhì)。制備的陶瓷氣凝膠極端隔熱材料，兼具高彈性（彈性壓縮應(yīng)變95%）、優(yōu)異的拉伸（斷裂應(yīng)變>40%）和彎曲（彎曲應(yīng)變>90%）變形能力，在1萬次高頻劇烈熱震（約200 ℃/s）以及長期高溫（>1000 ℃）有氧暴露下強度損失及體積收縮接近0。同時，半晶質(zhì)陶瓷包覆碳提高了碳材料高溫抗氧化性能，有效阻隔高溫?zé)彷椛?，實現(xiàn)了“低密度”陶瓷氣凝膠目前最低高溫導(dǎo)熱系數(shù)（20 mg/cm3、1000 ℃下 <100 mW/（m ·K）），極大地提高了輕質(zhì)氣凝膠材料的高溫隔熱性能。

上圖為半晶質(zhì)雙零陶瓷氣凝膠超彈及高溫隔熱性能。