Termiska superisoleringsmaterial med låg värmeledningsförmåga är avgörande för värmeisolering och skydd under extrema förhållanden. Dessa material krävs särskilt inom områden inklusive utforskning av djupa rymd, rymd, mekanisk och termisk kraftteknik, som kräver exceptionell isolering och tillförlitlighet.
Oorganiska aerogeler har uppvisat många överlägsna egenskaper såsom ultralätt vikt, hög deformerbarhet, utmärkt brand-/korrosionsbeständighet och låg värmeledningsförmåga, vilket visar lovande i värmeisolatorer.
Men oorganiska aerogeler plågas fortfarande av en avvägning mellan deras mekaniska och termiska egenskaper, vilket utgör en viktig vägspärr för att ytterligare utforska deras funktionalitet. Även om förbättring av mekaniska eller termiska egenskaper har studerats väl i oorganiska aerogeler, finns det fortfarande en brist på effektiva synergistiska strategier för att lösa denna typiska kompromiss.
I en ny forskningsartikel publicerad i National Science Review , presenterar forskare vid Harbin Institute of Technology och Southeast University en kemiskt bunden flernanoskiktsdesign och syntes av en grafen/amorf bornitrid-aerogel (a-BNGA) för att samtidigt förbättra de mekaniska och termiska egenskaperna.
I motsats till tidigare verk är grafenramverket likformigt avsatt av a-BN nanolager på båda sidor, vilket bildar en kemiskt bunden flernanolagerstruktur. Det visade sig att de kemiskt bundna gränssnitten tätt förankrar den enhetliga a-BN-manteln på grafenskelettet, som verkar via en senliknande mekanism, vilket säkerställer en synergistisk deformation och lastöverföring i stommen.
Dessutom kan a-BN nanolager öka den elastiska styvheten hos cellväggarna och ger en önskvärd böjmomentfördelning, vilket ger en kopplad härdningseffekt för att förbättra den strukturella motståndskraften.
Den resulterande a-BNGA har en ultralåg densitet med ultrahög flexibilitet (elastisk trycktöjning upp till 99%, elastisk böjtöjning upp till 90%) och exceptionell termisk stabilitet (nästan ingen hållfasthetsförsämring efter kraftiga termiska stötar). Forskarna visar den flexibla deformerbarheten genom vikning och utveckning av en aerogelblomma i mänsklig hand.
Noterbart är a-BN nanoskiktet i aerogel, som överstiger 20% i volym, mekaniskt avgörande men termiskt inaktivt - ett idealiskt tillstånd för värmeisoleringsmaterial. Den fasta lednings- och strålningsbidragen, som tillsammans utgör den skenbara värmeledningsförmågan hos material i vakuum. Genom att dra nytta av bristen på effektiva ledningsbanor genom låg densitet och den ytterligare fononspridningen genom gränssnitt, kan solid ledning effektivt förhindras.
Dessutom kan grafen användas som en infraröd absorbator för att minska den radiativa termiska transporten. Forskarna bevisade experimentellt denna aerogel med rekordlåg värmeledningsförmåga i vakuum bland fristående fasta material hittills. Dessutom designade de en månbasmodell som arbetar i högvakuum för att visa upp den termiska superisoleringsförmågan hos aerogel vid utomjordisk utforskning.
"Vi uppnår en kombination av exceptionella mekaniska och termiska egenskaper hos oorganisk aerogel och definierar ett robust materialsystem för termisk superisolering under extrema förhållanden, såsom mån- och Marsbaser, satelliter och rymdfarkoster," sa professor Xiang Xu, "Denna typ av material och strukturell design kan också ge möjligheter för oorganiska aerogeler att ge andra unika funktioner."
Mer information: Hongxuan Yu et al, Kemiskt bunden oorganisk aerogel med flera nanolager med rekordlåg värmeledningsförmåga i vakuum, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad129
Tillhandahålls av Science China Press
