航空新材料：“升级版”陶瓷气凝胶可耐极端温度学术资讯

陶瓷气凝胶样品甚至可以放置在花的雄蕊上而不掉落。

《科学》杂志2月15日报道，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）等研究机构的研究人员制造出了一种超轻质、耐用型陶瓷气凝胶。这种陶瓷材料可以承受太空任务中的高温和剧烈温度变化，因此可以用于航天器材的隔热层材料。

自上世纪90年代以来，陶瓷气凝胶一直被用于工业设备的隔热材料，并在美国宇航局（NASA）的火星车任务中用于保护精密的科学设备。UCLA等开发的“升级版”陶瓷气凝胶不仅质量大大减轻，还对极端高温和反复温度峰值有良好的耐受性。新型陶瓷气凝胶独特的原子组成和微观结构也使其具备了非同寻常的弹性。当它被加热时，材料会收缩而非像常规陶瓷那样向外膨胀。因此，这种材料比目前最先进的陶瓷气凝胶更加柔韧：它可以在压缩至原体积的5%后完全恢复原状，远超现有陶瓷气凝胶的压缩值（约20%）。

尽管占据陶瓷气凝胶体积9成以上的成分是空气，但其结构相对质量而言是非常坚固的。与其他绝缘、绝热材料相比，陶瓷气凝胶在阻隔极端温度方面更具优势。此外，其超低密度、高度耐火和耐腐蚀特性也与需重复使用的航天器的需求完美契合。然而，现有陶瓷气凝胶非常脆弱，在漫长的太空旅途中，很容易因为极端高温和剧烈的温度波动而发生断裂。新材料主要是由六方氮化硼薄层构成。氮化硼中的原子以六边形方式进行连接，形成类似铁丝网般的坚固网状结构。

实验中，新型陶瓷气凝胶经受住了对现有陶瓷气凝胶而言的破坏性条件——工程师们在短短数秒钟内将温度升高至900摄氏度或降低至零下198摄氏度。新陶瓷抵御住了数百次这样的骤然极端温度峰值。而在另一项测试中，新型陶瓷气凝胶在1400摄氏度下储存一周后，机械强度仅降低了不足1%。项目领导者、UCLA化学与生物化学教授Xiangfeng Duan解释说：“我们设计的新型陶瓷气凝胶具备超强耐久性的关键在于其独特的结构。它的柔韧性帮助它能够承受极端高温和温度变化的冲击。在重复高温和温度变化冲击下，现有陶瓷气凝胶会发生断裂并最终失效。”另外，据研究人员介绍，新陶瓷气凝胶还具有双层强化结构，这有助于进一步为材料减重和增强绝热、绝缘性。Duan认为，制造新型气凝胶的过程可能也适用于制造其他超轻质材料。他说：“这类材料不仅可以用于航天器、汽车或其他特殊设备的隔热，还能用于热能储存、催化或过滤。”

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编译：雷鑫宇

责编：唐林芳

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：

https://phys.org/news/2019-02-ultra-lightweight-ceramic-material-extreme-temperatures.html