輕且耐用的陶瓷氣凝膠誕生 可用于絕緣航天器

加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員和其他八家研究機(jī)構(gòu)的合作者創(chuàng)造了一種非常輕，非常耐用的陶瓷氣凝膠。這種材料可以用于像絕緣航天器這樣的應(yīng)用，因?yàn)樗軌虺惺芴杖蝿?wù)所承受的強(qiáng)烈的熱量和劇烈的溫度變化。

自20世紀(jì)90年代以來，陶瓷氣凝膠一直用于工業(yè)設(shè)備的絕緣，并被用于對(duì)NASA火星漫游者任務(wù)中的科學(xué)設(shè)備進(jìn)行隔離。但是新的版本在暴露于極端高溫和反復(fù)的溫度峰值后更耐久，而且要輕得多。它獨(dú)特的原子組成和微觀結(jié)構(gòu)也使它具有不同尋常的彈性。

當(dāng)它被加熱時(shí)，材料就會(huì)收縮，而不是像其他陶瓷一樣膨脹。它也與壓縮的方向垂直收縮－想象把一個(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)物質(zhì)在壓縮時(shí)的反應(yīng)相反。因此，與目前最先進(jìn)的陶瓷氣凝膠相比，這種材料的彈性和脆性要小得多：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)。

這項(xiàng)研究已發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，由加州大學(xué)洛杉磯分校化學(xué)與生物化學(xué)教授段向峰、加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程教授黃宇和中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)共同研發(fā)。該研究的第一位作者是哈爾濱理工大學(xué)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）化學(xué)博士后向旭、蘭州大學(xué)張強(qiáng)強(qiáng)、加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）和東南大學(xué)（東南大學(xué)）的郝夢龍（Menglong Hao）。

研究小組的其他成員來自加州大學(xué)伯克利分校、普渡大學(xué)、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室、中國湖南大學(xué)、中國蘭州大學(xué)和沙特阿拉伯沙特國王大學(xué)。

盡管氣凝膠的體積超過99%是空氣，但氣凝膠的重量在結(jié)構(gòu)上非常堅(jiān)固。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更有優(yōu)勢，而且它們具有極低的密度，并且具有很高的耐火和耐腐蝕性能－所有這些品質(zhì)都能很好地應(yīng)用于可重復(fù)使用的航天器。

但目前的陶瓷氣凝膠是高度脆性和傾向于斷裂，反復(fù)暴露在極端的熱和劇烈的溫度波動(dòng)，這兩者都是常見的太空旅行。這種新材料是由薄層氮化硼（一種陶瓷）制成的，原子以六邊形的形式連接在一起。

在加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）領(lǐng)導(dǎo)的研究中，它經(jīng)受住了通常會(huì)破壞其他氣凝膠的條件。當(dāng)工程師們在幾秒鐘內(nèi)在零下198攝氏度到900度之間的測試容器中提高和降低溫度時(shí)，它經(jīng)受住了數(shù)百次突如其來的極端溫度的沖擊。在另一次測試中，它在1400攝氏度下保存了一周后，失去了不到1%的機(jī)械強(qiáng)度。

普通陶瓷材料通常在加熱時(shí)膨脹，冷卻時(shí)收縮。隨著時(shí)間的推移，這些反復(fù)的溫度變化可能導(dǎo)致這些材料斷裂，并最終失效。新的氣凝膠被設(shè)計(jì)的更耐用，做的正好相反－它在加熱時(shí)收縮而不是膨脹。

此外，氣凝膠垂直壓縮的能力－就像網(wǎng)球一樣－幫助它在反復(fù)快速的溫度變化中存活下來。（該性質(zhì)稱為負(fù)泊松比。）它也有內(nèi)部“墻”，加強(qiáng)了雙窗格結(jié)構(gòu)，這減少了材料的重量，同時(shí)增加了它的絕緣能力。