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  陶瓷氣凝膠以其低密度、低熱導(dǎo)率和良好的耐火、耐腐蝕特性而被認(rèn)為是理想的隔熱材料。然而，質(zhì)脆以及晶化誘導(dǎo)的粉碎行為使得陶瓷氣凝膠常常在顯著的溫度梯度變化或者長(zhǎng)期的高溫暴露中表現(xiàn)出嚴(yán)重的強(qiáng)度退化甚至結(jié)構(gòu)崩塌的現(xiàn)象。鑒于極端條件下的隔熱要求相應(yīng)的材料具備異常優(yōu)異的穩(wěn)定性，因此同時(shí)具備強(qiáng)大的機(jī)械和熱學(xué)穩(wěn)定性就成為陶瓷氣凝膠在隔熱領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用的主要障礙。

  哈工大李惠教授和加州大學(xué)洛杉磯分校的黃昱教授、段鑲鋒教授（共同通訊作者）報(bào)道了一種具有雙曲結(jié)構(gòu)的三維hBN陶瓷氣凝膠，同時(shí)具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)和負(fù)的泊松比，具備超輕、高力學(xué)強(qiáng)度和超級(jí)隔熱三大特點(diǎn)。相關(guān)研究結(jié)果近日發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

  該研究成果基于5年的石墨烯氣凝膠基礎(chǔ)研究，并歷時(shí)2年完成。該論文第一作者、哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院副教授徐翔介紹，前期的基礎(chǔ)研究完成了石墨烯氣凝膠的超彈性、負(fù)泊松比、超輕、導(dǎo)電、流體行為、耗能行為等研究。

  研究團(tuán)隊(duì)利用三維石墨烯氣凝膠模板設(shè)計(jì)合成了同時(shí)具有強(qiáng)大的機(jī)械和熱學(xué)穩(wěn)定性的氮化硼（hBNAGs）以及碳化硅（βSiCAGs）陶瓷氣凝膠材料。

圖1. 設(shè)計(jì)與制備過(guò)程

  這類陶瓷材料由納米層狀雙窗格壁組成，整體呈現(xiàn)出超低密度的雙曲線構(gòu)造形態(tài)。而這一特殊結(jié)構(gòu)賦予材料負(fù)泊松比（-0.25）以及負(fù)線性熱膨脹系數(shù)（-1.8x10-6/℃），致使材料維持熱穩(wěn)定性的同時(shí)依然能表現(xiàn)出優(yōu)異的可變形性和斷裂韌性。在劇烈的熱休克（大約275℃/s）以及長(zhǎng)期高溫暴露過(guò)程中，這類材料表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以及幾乎為零的強(qiáng)度損失。同時(shí)此種氣凝膠還表現(xiàn)出超低的熱導(dǎo)率（在真空中約為2.4 mW/m·K，在空氣中約為20 mW/m·K），因此研究人員認(rèn)為基于上述新型陶瓷氣凝膠可以設(shè)計(jì)理想的超級(jí)隔熱系統(tǒng)并在航天器等領(lǐng)域有所應(yīng)用。

圖2. 材料表征

  該論文通訊作者、加州大學(xué)洛杉磯分校化學(xué)系段鑲鋒教授告訴記者，該陶瓷氣凝膠為解決陶瓷超輕結(jié)構(gòu)的脆性問題，以及受熱析晶問題提供了研究思路，極大地促進(jìn)了陶瓷氣凝膠在隔熱、催化、能源、環(huán)境治理、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。

  段鑲鋒教授表示，該項(xiàng)研究?jī)H僅是一個(gè)開始，下一步研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)研制更柔韌，能適應(yīng)更高工作溫度，具有更低導(dǎo)熱系數(shù)的陶瓷氣凝膠超輕結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步促進(jìn)陶瓷氣凝膠在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

  論文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/363/6428/723