高度耐用的气凝胶最终可能成为航天器绝缘的升级

超轻陶瓷材料耐高温!高度耐用的气凝胶最终可能成为航天器绝缘的升级

高度耐用的气凝胶最终可能成为航天器绝缘的升级

加州大学洛杉矶分校的研究人员和其他8个研究机构的合作者已经创造出了一种非常轻、非常耐用的陶瓷气凝胶。这种材料可以用于隔热航天器等应用,因为它能够承受太空任务所承受的高温和剧烈的温度变化。

自上世纪90年代以来,陶瓷气凝胶一直被用于隔离工业设备,并在美国宇航局的火星探测车任务中被用于隔离科学设备。但新版本在极端高温和反复的温度峰值环境下更耐用,重量也轻得多。其独特的原子组成和微观结构也使其具有不同寻常的弹性。当它被加热时,材料会收缩而不是像其他陶瓷那样膨胀。它也垂直于被压缩的方向收缩——想象一下把一个网球压在桌子上,让球的中心向内移动,而不是向外扩张——这与大多数材料在被压缩时的反应相反。因此,这种材料比目前最先进的陶瓷气凝胶更加柔韧,不易碎:它可以压缩到原来体积的5%并完全恢复,而其他现有的气凝胶只能压缩到20%左右,然后完全恢复。

尽管它们体积的99%以上是空气,但气凝胶是固体的,在结构上与它们的重量相当。它们可以由多种材料制成,包括陶瓷、碳或金属氧化物。与其他绝缘体相比,陶瓷基气凝胶在阻挡极端温度方面具有优势,而且它们具有超低密度,高度耐火和腐蚀——所有这些特性都很适合于可重复使用的航天器。但目前的陶瓷气凝胶非常脆弱,在反复暴露于极端高温和剧烈的温度波动后容易断裂,这两种情况在太空旅行中都很常见。

这种新材料由氮化硼(一种陶瓷材料)的薄层组成,原子以六边形的形式连接在一起,就像铁丝网一样。在研究中,它经受住了通常会破坏其他气凝胶的条件。当工程师们在短短几秒钟内将测试容器中的温度升高或降低到零下198摄氏度至零上900摄氏度之间时,它经受住了数百次突然的极端温度峰值。在另一项测试中,它在1400摄氏度下储存一周后,机械强度下降了不到1%。

新型陶瓷气凝胶耐久性的关键在于其独特的结构,它天生的柔韧性帮助它承受极端高温和温度冲击的冲击,这些冲击会导致其他陶瓷气凝胶失效。普通陶瓷材料加热时通常膨胀,冷却时收缩。随着时间的推移,这些重复的温度变化会导致这些材料断裂并最终失效。这种新型气凝胶的设计初衷恰恰相反,它在受热时收缩而不是膨胀,因此更加耐用。

此外,气凝胶垂直于被压缩方向的收缩能力——就像网球的例子一样——帮助它在温度的反复快速变化中存活下来。(这个性质被称为负泊松比)它也有内部的“墙”,由双层玻璃结构加强,这减少了材料的重量,同时增加了它的绝缘能力。

研究人员开发的制造这种新型气凝胶的过程也可以用于制造其他超轻量材料。这些材料可以用于航天器、汽车或其他特殊设备的隔热。它们还可以用于热能储存、催化或过滤。

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