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  陶瓷氣凝膠以其低密度、低熱導(dǎo)率和良好的耐火、耐腐蝕特性而被認(rèn)為是理想的隔熱材料。然而，質(zhì)脆以及晶化誘導(dǎo)的粉碎行為使得陶瓷氣凝膠常常在顯著的溫度梯度變化或者長期的高溫暴露中表現(xiàn)出嚴(yán)重的強度退化甚至結(jié)構(gòu)崩塌的現(xiàn)象。鑒于極端條件下的隔熱要求相應(yīng)的材料具備異常優(yōu)異的穩(wěn)定性，因此同時具備強大的機械和熱學(xué)穩(wěn)定性就成為陶瓷氣凝膠在隔熱領(lǐng)域進一步發(fā)展應(yīng)用的主要障礙。

  哈工大李惠教授和加州大學(xué)洛杉磯分校的黃昱教授、段鑲鋒教授（共同通訊作者）報道了一種具有雙曲結(jié)構(gòu)的三維hBN陶瓷氣凝膠，同時具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)和負(fù)的泊松比，具備超輕、高力學(xué)強度和超級隔熱三大特點。相關(guān)研究結(jié)果近日發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

  該研究成果基于5年的石墨烯氣凝膠基礎(chǔ)研究，并歷時2年完成。該論文第一作者、哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院副教授徐翔介紹，前期的基礎(chǔ)研究完成了石墨烯氣凝膠的超彈性、負(fù)泊松比、超輕、導(dǎo)電、流體行為、耗能行為等研究。

  研究團隊利用三維石墨烯氣凝膠模板設(shè)計合成了同時具有強大的機械和熱學(xué)穩(wěn)定性的氮化硼（hBNAGs）以及碳化硅（βSiCAGs）陶瓷氣凝膠材料。

圖1. 設(shè)計與制備過程

  這類陶瓷材料由納米層狀雙窗格壁組成，整體呈現(xiàn)出超低密度的雙曲線構(gòu)造形態(tài)。而這一特殊結(jié)構(gòu)賦予材料負(fù)泊松比（-0.25）以及負(fù)線性熱膨脹系數(shù)（-1.8x10-6/℃），致使材料維持熱穩(wěn)定性的同時依然能表現(xiàn)出優(yōu)異的可變形性和斷裂韌性。在劇烈的熱休克（大約275℃/s）以及長期高溫暴露過程中，這類材料表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以及幾乎為零的強度損失。同時此種氣凝膠還表現(xiàn)出超低的熱導(dǎo)率（在真空中約為2.4 mW/m·K，在空氣中約為20 mW/m·K），因此研究人員認(rèn)為基于上述新型陶瓷氣凝膠可以設(shè)計理想的超級隔熱系統(tǒng)并在航天器等領(lǐng)域有所應(yīng)用。

圖2. 材料表征

  該論文通訊作者、加州大學(xué)洛杉磯分�；瘜W(xué)系段鑲鋒教授告訴記者，該陶瓷氣凝膠為解決陶瓷超輕結(jié)構(gòu)的脆性問題，以及受熱析晶問題提供了研究思路，極大地促進了陶瓷氣凝膠在隔熱、催化、能源、環(huán)境治理、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。

  段鑲鋒教授表示，該項研究僅僅是一個開始，下一步研究團隊將繼續(xù)研制更柔韌，能適應(yīng)更高工作溫度，具有更低導(dǎo)熱系數(shù)的陶瓷氣凝膠超輕結(jié)構(gòu)，進一步促進陶瓷氣凝膠在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

  論文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/363/6428/723