哈尔滨工业大学:最新《Nature》!

6月29日,哈尔滨工业大学李惠,徐翔和加州大学洛杉矶分校段镶锋共同通讯在Nature 在线发表题为“Hypocrystalline ceramic aerogels for thermal insulation at extreme conditions”的研究论文,该研究报告了具有锯齿形结构的亚晶锆石纳米纤维气凝胶的多尺度设计,可在高温下实现出色的热机械稳定性和超低热导率。

气凝胶显示出接近零的泊松比(3.3 × 10−4)和接近零的热膨胀系数(1.2 × 10−7/摄氏度),确保了出色的结构灵活性和热机械性能。它们在剧烈热冲击后表现出高热稳定性和超低强度退化(小于 1%),以及高工作温度(高达 1,300° 摄氏度)。通过在成分次晶锆石纤维中截留残余碳物质,大大减少了热辐射传热,并实现了迄今为止陶瓷气凝胶中最低的高温热导率之一——在 1,000°C 时每米每开尔文 104° 毫瓦。热机械和隔热性能相结合,为极端条件下的坚固隔热提供了有吸引力的材料系统。

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极端条件下的隔热,例如深空和深地环境中复杂的机械载荷和大的热梯度,需要可靠的结构稳定性和出色的隔热能力。陶瓷气凝胶具有超绝缘能力,其热导率 (κ) 低于静止空气 (26 mW m−1 K−1)。然而,由于其固有的脆性,陶瓷气凝胶在大的机械应力或热冲击下通常会遭受严重的强度退化和结构坍塌,这可能会严重影响隔热性能,并在极端条件下导致灾难性失效。因此,在极端条件下保持坚固的结构稳定性是可靠隔热的关键挑战。

迄今为止的研究表明,陶瓷气凝胶的机械性能可以通过精心设计的结构工程得到显著提高。例如,由一维纤维构成的陶瓷气凝胶可以通过物理缠绕或化学键合形成灵活的多孔框架,这不仅可以产生压缩弹性,更重要的是,还可以产生额外的拉伸性和弯曲性。然而,由于相邻纤维之间的随机缠绕结构和位错,纤维陶瓷气凝胶仅表现出高达 80% 应变的弹性可压缩性,但仍具有相当大的结构退化。为了应对这一挑战,具有量身定制的泊松比 (ν) 的专门设计的结构可以显著提高性能指标。特别是,接近零的 ν 可以帮助最小化或消除由纵向变形引起的过度应力,并实现接近零的横向应变,这可以在纤维结构中提供最佳的机械柔韧性。

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亚晶陶瓷纳米纤维气凝胶的多尺度设计(图源自Nature 

除了机械灵活性外,热稳定性是设计用于极端条件下隔热的陶瓷气凝胶的另一个关键因素。由于结晶诱导的粉碎、抗氧化性不足和在大热梯度或高温暴露下的大热膨胀系数 (α) 行为,陶瓷气凝胶通常表现出较弱的热稳定性,严重的强度退化和结构坍塌。通过调整陶瓷材料的元素组成或晶体结构,可以提高结晶抑制和抗氧化性。然而,当与机械性能和结构几何配置相结合时,热膨胀行为更难以调节。受负α策略的启发,具有接近零α的陶瓷气凝胶可以进一步消除不匹配的组件应变并抑制热机械应力,以确保优异的热稳定性。

在极端条件下可靠的隔热要求在很宽的温度范围内将机械柔韧性、高热稳定性和低导热性结合起来。对于大多数陶瓷气凝胶,这些关键材料参数中的一些表现出相互之间的内在权衡。例如,典型陶瓷气凝胶的超低密度特性有利于极大地抑制固体传导,从而在室温下实现超低 κ(在空气中26 mW m−1 K−1 到 33 mW m−1 K−1 ),但基本上增加热辐射传热并在高温(例如,超过 1,000 °C)下导致更高的 κ,这显然与极端条件操作更相关。

特别是,热辐射与材料密度的倒数和开尔文温度的三次方成线性比例关系,这在超过 500°C 的温度下成为主要的热传导。由于其低密度和低红外辐射吸收,大多数陶瓷气凝胶在 1,000 °C 附近表现出相当高的 κ,约为 200 mW m−1 K−1。减少热辐射传热的一个潜在策略是结合红外辐射吸收和反射材料,例如碳或二氧化钛。然而,碳通常可以在高温下进行热蚀刻,而二氧化钛由于其软化作用会降低气凝胶的结构稳定性。因此,在典型的陶瓷气凝胶中实现出色的高温绝热性能同时保持强大的热机械稳定性是一项挑战。

在这里,该研究报告了具有锯齿形结构的次晶锆石纳米纤维气凝胶 (ZAG) 的多尺度设计和合成,以实现接近零的 ν 和接近零的 α 以获得优异的热机械性能。由此产生的 ZAG 具有高机械柔韧性、在剧烈热冲击和高温暴露下的高热稳定性,以及出色的高温绝热性能(104 mW m−1 K−1 在 1,000 °C 和 26 mW m−1 K−1 在 25 °C 空气中),在极端条件下提供可靠的隔热材料。

论文信息:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04784-0

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