第一作者：Xiang Xu, Qiangqiang Zhang, Menglong Hao,

    通訊作者：段鑲鋒、黃昱、Hui Li

    通訊單位：加州大學(xué)洛杉磯分校、哈爾濱工業(yè)大學(xué)

    研究亮點(diǎn)：

    1. 發(fā)展了一種具有雙曲結(jié)構(gòu)的三維陶瓷氣凝膠，同時(shí)具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)和負(fù)的泊松比。

    2. 陶瓷氣凝膠具備超輕、高力學(xué)強(qiáng)度和超級(jí)隔熱三大優(yōu)勢(shì)。

    極端環(huán)境對(duì)新材料的迫切需求

    在極端環(huán)境中，譬如需要再高溫和反應(yīng)氣氛中操作的航空航天領(lǐng)域，材料必須同時(shí)具備超輕，高力學(xué)強(qiáng)度和絕熱三大特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這些種完全不同的功能需要對(duì)材料本身進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，通過多尺度多級(jí)次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)時(shí)響應(yīng)極端環(huán)境因素。

    陶瓷氣凝膠在極端環(huán)境中的應(yīng)用

    氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)的混合物或復(fù)合物，是世界上密度最小的固體。氣凝膠是由空氣或自由空間與陶瓷，金屬，顆粒，粉末或碳固體介質(zhì)組成，其中空氣或自由空間的比例> 99％。 因此，氣凝膠可以非常輕。

    其中，陶瓷氣凝膠具有許多優(yōu)異的性能，例如低密度，優(yōu)異的隔熱性和化學(xué)穩(wěn)定性，可在腐蝕性環(huán)境中的高溫條件下操作。因此，陶瓷氣凝膠已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天等極端材料性能要求領(lǐng)域。

    陶瓷氣凝膠亟待解決的關(guān)鍵問題

    典型的陶瓷材料如二氧化硅，氧化鋁和碳化硅的氣凝膠非常脆，在應(yīng)力下，特別是在高溫或突然的熱沖擊下易碎。用于減輕陶瓷氣凝膠脆性的常規(guī)策略又經(jīng)常導(dǎo)致其他性能的降低，例如導(dǎo)熱性的增加。

    通過非常規(guī)策略的多尺度多級(jí)次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以獲得既具有負(fù)泊松比（使其在拉伸時(shí)沿法線方向膨脹），又具有負(fù)熱膨脹系數(shù)（使其在加熱時(shí)收縮）的雙負(fù)指數(shù)材料，從而提高斷裂韌性并減輕陶瓷的脆性。

    然而，由于加工限制，制造具有分層結(jié)構(gòu)的塊狀三維陶瓷超材料氣凝膠依然困難重重！

    成果簡介

    有鑒于此，加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒、黃昱團(tuán)隊(duì)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)Hui Li團(tuán)隊(duì)合作，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)。

圖1. 設(shè)計(jì)與制備過程

    要點(diǎn)1：制備策略

    研究人員首先使用先前報(bào)道的技術(shù)制造石墨烯氣凝膠，用作犧牲模板，在其上生長hBN層。 因?yàn)閔BN具有高度抗氧化性并且在空氣中的熱穩(wěn)定性優(yōu)于石墨烯，所以石墨烯模板可以通過氧化的方法很容易除去以留下純hBN氣凝膠。最終，研究人員得到hBN（2D陶瓷）原子薄壁雙曲氣凝膠，其中相互連接的有晶格缺陷的原子級(jí)超薄平面形成蜂窩網(wǎng)絡(luò)。，

圖2. 材料表征

    要點(diǎn)2：設(shè)計(jì)原理

    一方面，從2D材料獲得的氣凝膠具有2D納米片的面對(duì)面堆疊，使得氣凝膠的胞壁由最小厚度的材料組成，具有極高的機(jī)械強(qiáng)度。另一方面，從2D納米片獲得的3D分層結(jié)構(gòu)將氣凝膠分成微小的單元，使得它們之間的空氣對(duì)流減少，從而能夠?qū)崿F(xiàn)低于空氣的熱導(dǎo)率。

圖3. 力學(xué)性能

圖4. 熱學(xué)性能

    要點(diǎn)3：優(yōu)異性能

    這種氣凝膠具有負(fù)泊松比（-0.25）和負(fù)的線性熱膨脹系數(shù)（-1.8X10-6 per ℃），以下優(yōu)點(diǎn)將使之在極端條件下極具應(yīng)用前景，譬如太空飛行器的隔熱罩等極端應(yīng)用：

    1. 超輕：密度接近0.1 mg cm-3。：2

    2. 超低導(dǎo)熱性：真空和空氣中的熱導(dǎo)分別約為2.4 mW/m K和20 mW/m K。

    3. 超高力學(xué)性能：高達(dá)95％的超高彈性變形，具有數(shù)百次循環(huán)的抗熱沖擊性，在275℃/s熱沖擊或1400℃強(qiáng)烈熱應(yīng)力下強(qiáng)度損失幾乎為零。

    總之，這項(xiàng)研究為超輕質(zhì)材料在各種極端環(huán)境中的力學(xué)和熱性能的合理設(shè)計(jì)開辟了新的路徑。

    參考文獻(xiàn)：

    1.Xiang Xu, Qiangqiang Zhang, Menglong Hao, Yu Huang, Xiangfeng Duan et al. Double-negative-indexceramic aerogels for thermal superinsulation. Science 2019, 363, 723-727.

    http://science.sciencemag.org/content/363/6428/723

    2.Manish Chhowalla, Deep Jariwala. Hyperbolic 3D architectures with 2D ceramics. Science2019, 363, 694-695.

    http://science.sciencemag.org/content/363/6428/694

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