Forskare arbetar för att lösa problemet att prestandan hos konventionella skyddande aerogelmaterial försämras kraftigt under svåra arbetsförhållanden. Kredit:Nano Research, Tsinghua University Press
Aerogelmaterial fyller en viktig roll som skyddsmaterial som behövs för många områden, inklusive som elektromagnetiskt störningsskyddsmaterial för 5G-teknik, termiskt isolerande material i höghus och infrarött stealth-material för militära tillämpningar. Nuvarande skyddsmaterial förlorar emellertid ofta sina skyddsfunktioner under svåra förhållanden som extrema temperaturer, vilket gör dem ineffektiva. Andra skyddsmaterial förlorar sin elasticitet, vilket leder till liknande prestandaproblem. Nu har nya aerogelmaterial som kan bibehålla sin funktionalitet och superelasticitet under extrema temperaturer utvecklats av ett team av forskare från Sichuan University.
Resultaten publicerades i Nano Research .
"Vi strävade efter att lösa problemet att prestandan hos konventionella skyddande aerogelmaterial försämras allvarligt under tuffa arbetsförhållanden", säger motsvarande författare Hai-Bo Zhao, professor vid College of Chemistry vid Sichuan University.
Före Zhaos teams utveckling användes polymerbaserade skummaterial ofta som skyddsmaterial. Dessa material uppvisade de positiva egenskaperna superelasticitet och hög kompressibilitet men kunde inte bibehålla dessa egenskaper efter polymerernas smälttemperaturer. Ett annat ofta använt material var metalliska och keramiska skum, som var stabila över temperaturområden på ett sätt som deras polymerbaserade skummotsvarigheter inte var men inte hade den elasticitet som behövs för att vara praktiskt.
Ett tillvägagångssätt som kom närmare en skalbar lösning involverade att använda kolaerogeler, som har egenskaper som lämpar sig väl för värmeisolering och elektromagnetisk interferens, såsom hög specifik yta, låg densitet, god elektrisk ledningsförmåga och kemisk och termisk stabilitet. Kolaerogeler har dock begränsningar på grund av vissa inneboende egenskaper. Kolnanorör blev ett populärt sätt att konstruera superelastiska kolaerogeler, eftersom de kunde bibehålla de nödvändiga egenskaperna vid höga temperaturer, men eftersom beredningen krävde så många steg var metoderna inte skalbara.
Genom att fokusera på mikrostrukturdesignen kunde Zhaos team utveckla en polymeraerogel med superelasticitet som fungerade i ett temperaturområde på -196 till 500°C med en process som var skalbar och praktisk.
"Till skillnad från de flesta kolaerogeler som tidigare rapporterats och som vanligtvis har dåliga mekaniska egenskaper, uppvisar de preparerade aerogelmaterialen temperaturovariabel superelasticitet samtidigt som de bibehåller multifunktionell skyddsprestanda", säger Zhao, som också är knuten till National Engineering Laboratory for Eco-Friendly Polymeric Materials i Sichuan och med Collaborative Innovation Centre for Eco-Friendly and Fire-Safety Polymeric Materials.
Zhaos metod använder dubbelriktat orienterade kol/kol aerogel-komposit flerväggiga kolnanorör – med andra ord en kombination som gör det möjligt att kombinera de positiva egenskaperna hos kolaerogeler med de positiva egenskaperna hos kolnanorör – med ett välordnat kolskelett, ett av de viktiga skillnader mellan denna nya metod och tidigare metoder. Deras skalbara metod för att uppnå de önskade mikrostrukturerna – särskilt högorienterade bågstrukturer – involverar en dubbelriktad frysnings- och karboniseringsprocess för att utveckla kol/kol-aerogelerna.
"De rapporterade aerogelmaterialen bibehåller superelasticitet, hög elektromagnetisk interferensavskärmningseffektivitet, värmeisolering och infraröd smyg i ett brett temperaturområde från -196 till 500 °C och efter cyklisk kompression i hundratals gånger," sa Zhao. "Den mest spännande aspekten är den ekonomiska och enkla förberedelseprocessen, som lade grunden till den potentiella praktiska tillämpningen av materialet."
Zhao sa att nästa steg är att göra aerogelerna tillgängliga för användning i kommersiella, militära och andra sammanhang.
"Vi skulle vilja främja industrialiseringen av den rapporterade aerogelen och främja tillämpningen inom 5G-teknik, höghus, militär användning och mer", sa han. + Utforska vidare
