超輕陶瓷材料耐高溫！高度耐用的氣凝膠最終可能成為航天器絕緣的升級(jí)
加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員和其他8個(gè)研究機(jī)構(gòu)的合作者已經(jīng)創(chuàng)造出了一種非常輕、非常耐用的陶瓷氣凝膠。這種材料可以用于隔熱航天器等應(yīng)用，因?yàn)樗軌虺惺芴杖蝿?wù)所承受的高溫和劇烈的溫度變化。
自上世紀(jì)90年代以來，陶瓷氣凝膠一直被用于隔離工業(yè)設(shè)備，并在美國宇航局的火星探測車任務(wù)中被用于隔離科學(xué)設(shè)備。但新版本在極端高溫和反復(fù)的溫度峰值環(huán)境下更耐用，重量也輕得多。其獨(dú)特的原子組成和微觀結(jié)構(gòu)也使其具有不同尋常的彈性。當(dāng)它被加熱時(shí)，材料會(huì)收縮而不是像其他陶瓷那樣膨脹。它也垂直于被壓縮的方向收縮——想象一下把一個(gè)網(wǎng)球壓在桌子上，讓球的中心向內(nèi)移動(dòng)，而不是向外擴(kuò)張——這與大多數(shù)材料在被壓縮時(shí)的反應(yīng)相反。因此，這種材料比目前最先進(jìn)的陶瓷氣凝膠更加柔韌，不易碎:它可以壓縮到原來體積的5%并完全恢復(fù)，而其他現(xiàn)有的氣凝膠只能壓縮到20%左右，然后完全恢復(fù)。
盡管它們體積的99%以上是空氣，但氣凝膠是固體的，在結(jié)構(gòu)上與它們的重量相當(dāng)。它們可以由多種材料制成，包括陶瓷、碳或金屬氧化物。與其他絕緣體相比，陶瓷基氣凝膠在阻擋極端溫度方面具有優(yōu)勢，而且它們具有超低密度，高度耐火和腐蝕——所有這些特性都很適合于可重復(fù)使用的航天器。但目前的陶瓷氣凝膠非常脆弱，在反復(fù)暴露于極端高溫和劇烈的溫度波動(dòng)后容易斷裂，這兩種情況在太空旅行中都很常見。
這種新材料由氮化硼(一種陶瓷材料)的薄層組成，原子以六邊形的形式連接在一起，就像鐵絲網(wǎng)一樣。在研究中，它經(jīng)受住了通常會(huì)破壞其他氣凝膠的條件。當(dāng)工程師們?cè)诙潭處酌腌妰?nèi)將測試容器中的溫度升高或降低到零下198攝氏度至零上900攝氏度之間時(shí)，它經(jīng)受住了數(shù)百次突然的極端溫度峰值。在另一項(xiàng)測試中，它在1400攝氏度下儲(chǔ)存一周后，機(jī)械強(qiáng)度下降了不到1%。
新型陶瓷氣凝膠耐久性的關(guān)鍵在于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，它天生的柔韌性幫助它承受極端高溫和溫度沖擊的沖擊，這些沖擊會(huì)導(dǎo)致其他陶瓷氣凝膠失效。普通陶瓷材料加熱時(shí)通常膨脹，冷卻時(shí)收縮。隨著時(shí)間的推移，這些重復(fù)的溫度變化會(huì)導(dǎo)致這些材料斷裂并最終失效。這種新型氣凝膠的設(shè)計(jì)初衷恰恰相反，它在受熱時(shí)收縮而不是膨脹，因此更加耐用。
此外，氣凝膠垂直于被壓縮方向的收縮能力——就像網(wǎng)球的例子一樣——幫助它在溫度的反復(fù)快速變化中存活下來。(這個(gè)性質(zhì)被稱為負(fù)泊松比)它也有內(nèi)部的“墻”，由雙層玻璃結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，這減少了材料的重量，同時(shí)增加了它的絕緣能力。
研究人員開發(fā)的制造這種新型氣凝膠的過程也可以用于制造其他超輕量材料。這些材料可以用于航天器、汽車或其他特殊設(shè)備的隔熱。它們還可以用于熱能儲(chǔ)存、催化或過濾。
