超輕高強(qiáng)隔熱材料—氮化硼氣凝膠

氣凝膠是目前已知最輕的固體材料，它是通過(guò)化學(xué)溶液經(jīng)反應(yīng)形成溶膠，后凝膠化得到凝膠，最后除去其中的溶劑獲得的一中充滿氣體、空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔材料。氣凝膠最突出的特性使其具有優(yōu)異的保溫性能，使得它在航空航天、電力冶金、精密儀器、石油化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

在硅系、碳系、金屬氧化物系、金屬系等各類氣凝膠材料中，陶瓷氣凝膠材料具有低密度、隔熱性、化學(xué)穩(wěn)定性，和可在腐蝕性環(huán)境中的高溫條件下操作的性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天等極端材料性能要求的領(lǐng)域。典型的陶瓷氣凝膠材料，如二氧化硅氣凝膠，多表現(xiàn)為剛性和脆性，材料在斷裂之前只有輕微的彈性形變，因此如何提高陶瓷氣凝膠的機(jī)械性能是提高其在隔熱領(lǐng)域應(yīng)用前景的一個(gè)關(guān)鍵突破點(diǎn)。近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和加州大學(xué)洛杉磯分校的相關(guān)研究人員開(kāi)發(fā)出一種新興的氮化硼陶瓷氣凝膠材料，具備超輕、高力學(xué)強(qiáng)度和超級(jí)隔熱等三大突出特點(diǎn)。

這種陶瓷氣凝膠材料密度可低至0.1毫克/立方厘米，超彈性達(dá)到95%。并且在高溫沖擊條件下材料本身幾乎沒(méi)有強(qiáng)度損失，空氣中的導(dǎo)熱系數(shù)為20mW/mK，具有超低導(dǎo)熱性，是極端條件下理想的隔熱材料。氮化硼氣凝膠制備過(guò)程研究人員在負(fù)泊松比增強(qiáng)石墨烯氣凝膠變形特性的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)模板法在石墨烯氣凝膠模板上原位沉積六方氮化硼（h-BN），并通過(guò)加熱刻蝕模板的方法，去除石墨烯模板獲得純氮化硼氣凝膠，制備的材料不但具有負(fù)泊松比（-0.25），同時(shí)由于其獨(dú)特的“雙壁”亞結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元間空氣對(duì)流減少，具有負(fù)溫度膨脹性（熱膨脹系數(shù)-1.8X10-6/℃）。氮化硼氣凝膠獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)負(fù)泊松比代表材料受拉伸時(shí)，材料在彈性范圍內(nèi)橫向發(fā)生膨脹，而受壓縮時(shí)，材料的橫向反而發(fā)生收縮；負(fù)溫度膨脹性代表材料受熱時(shí)收縮。

這兩個(gè)特性都與常規(guī)材料相反，使得氮化硼氣凝膠的斷裂韌性和脆性優(yōu)于其他材料。氮化硼氣凝膠優(yōu)良的力學(xué)性能氮化硼氣凝膠的負(fù)溫度膨脹性這種氮化硼氣凝膠由于雙“負(fù)”特性，使得其能顯著改善傳統(tǒng)陶瓷氣凝膠斷裂韌性不足和脆性大的缺陷，在航空航天等極端條件下有很大的應(yīng)用前景，同時(shí)也為其他氣凝膠材料的設(shè)計(jì)和制備提供了新的路徑。