陶瓷气凝胶或成航空航天新材料

据本报记者(见习记者不夜)报道，陶瓷气凝胶因其超轻、耐火、耐腐蚀和耐高温等特性非常适合解决航空航天领域的隔热问题，但其脆性、高温结晶、热震塌等问题严重制约了相关研究和应用。最近，哈尔滨工业大学、兰州大学、加州大学洛杉矶分校、加州大学伯克利分校等大学的研究人员共同研究合成了具有米层状结构的双曲线陶瓷气凝胶。通过结构设计，实现了具有“负特性”的超材料。这种材料可以大大增强传统陶瓷气凝胶材料的各种性能，甚至赋予它们新的特性。相关的研究结果最近发表在《科学》杂志上。

该研究成果是基于对石墨烯气凝胶5年的基础研究，历时2年完成的。论文第一作者、哈尔滨工业大学土木工程学院副教授徐翔在接受《中国科学日报》采访时表示，之前的基础研究已经完成了石墨烯气凝胶的超弹性、负泊松比、超轻、导电性、流体行为、能耗行为等方面的研究。

负泊松比效应是指材料在拉伸时在弹性范围内的横向膨胀，而在压缩时材料的横向收缩。这种现象在热力学上是可能的，但负泊松比效应在材料中并不常见。

因此，在负泊松比增强石墨烯气凝胶变形特性的研究基础上，研究团队采用原位在石墨烯气凝胶模板上沉积陶瓷的化学气相沉积技术和加热刻蚀模板的方法，使得制备的陶瓷气凝胶不仅获得负泊松比特性，而且通过孔壁的“双壁”子结构实现陶瓷气凝胶的负热膨胀特性，从而大大提高了陶瓷气凝胶的力学和热学性能。

据了解，与聚合物和环氧树脂不同，陶瓷材料不容易熔化、分解或软化。与有机物等其他物质相比，它的化学键不被热和紫外线辐射破坏，具有良好的导热性。此外，陶瓷在太空深处的极端真空中不排放气体，具有优异的电绝缘特性，即使在长期高温下也具有较长的使用寿命，因此是高质量航空航天材料的选择。

徐翔说，研究过程并不顺利，研究人员突破了许多困难。陶瓷气凝胶化学气相沉积的制备是研究的关键。为了赋予陶瓷气凝胶柔性，控制孔壁厚度，提高陶瓷气凝胶的结晶度，实现结构设计，研究者们进行了近千次重复实验。此外，陶瓷气凝胶的超轻特性使得商业测量系统无法测试其热导率。为此，研究小组建立了专门的测量设备，并进行了可靠性论证。

该论文的通讯作者、美国加州大学洛杉矶分校化学系教授段志峰在接受《中国科学报》采访时表示，陶瓷气凝胶为解决超轻陶瓷结构的脆性问题和热引起的结晶问题提供了研究思路，极大地推动了陶瓷气凝胶在隔热、催化、能源、环境治理、航空航天等领域的应用。

段剑锋说，这项研究只是开始。下一步是研究团队继续开发更加灵活、能够适应更高工作温度、热导率更低的超轻陶瓷气凝胶结构，进一步推动陶瓷气凝胶在许多领域的广泛应用。

相关论文信息:DOI: 10.1126/science.aav7304

中国科学新闻(2019-02-19，第一版集锦)