高度耐用的氣凝膠最終可能成為航天器絕緣的升級

超輕陶瓷材料耐高溫!高度耐用的氣凝膠最終可能成為航天器絕緣的升級

高度耐用的氣凝膠最終可能成為航天器絕緣的升級

加州大學洛杉磯分校的研究人員和其他8個研究機構的合作者已經創造出瞭一種非常輕、非常耐用的陶瓷氣凝膠。這種材料可以用於隔熱航天器等應用,因為它能夠承受太空任務所承受的高溫和劇烈的溫度變化。

自上世紀90年代以來,陶瓷氣凝膠一直被用於隔離工業設備,並在美國宇航局的火星探測車任務中被用於隔離科學設備。但新版本在極端高溫和反復的溫度峰值環境下更耐用,重量也輕得多。其獨特的原子組成和微觀結構也使其具有不同尋常的彈性。當它被加熱時,材料會收縮而不是像其他陶瓷那樣膨脹。它也垂直於被壓縮的方向收縮——想象一下把一個網球壓在桌子上,讓球的中心向內移動,而不是向外擴張——這與大多數材料在被壓縮時的反應相反。因此,這種材料比目前最先進的陶瓷氣凝膠更加柔韌,不易碎:它可以壓縮到原來體積的5%並完全恢復,而其他現有的氣凝膠隻能壓縮到20%左右,然後完全恢復。

盡管它們體積的99%以上是空氣,但氣凝膠是固體的,在結構上與它們的重量相當。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具有優勢,而且它們具有超低密度,高度耐火和腐蝕——所有這些特性都很適合於可重復使用的航天器。但目前的陶瓷氣凝膠非常脆弱,在反復暴露於極端高溫和劇烈的溫度波動後容易斷裂,這兩種情況在太空旅行中都很常見。

這種新材料由氮化硼(一種陶瓷材料)的薄層組成,原子以六邊形的形式連接在一起,就像鐵絲網一樣。在研究中,它經受住瞭通常會破壞其他氣凝膠的條件。當工程師們在短短幾秒鐘內將測試容器中的溫度升高或降低到零下198攝氏度至零上900攝氏度之間時,它經受住瞭數百次突然的極端溫度峰值。在另一項測試中,它在1400攝氏度下儲存一周後,機械強度下降瞭不到1%。

新型陶瓷氣凝膠耐久性的關鍵在於其獨特的結構,它天生的柔韌性幫助它承受極端高溫和溫度沖擊的沖擊,這些沖擊會導致其他陶瓷氣凝膠失效。普通陶瓷材料加熱時通常膨脹,冷卻時收縮。隨著時間的推移,這些重復的溫度變化會導致這些材料斷裂並最終失效。這種新型氣凝膠的設計初衷恰恰相反,它在受熱時收縮而不是膨脹,因此更加耐用。

此外,氣凝膠垂直於被壓縮方向的收縮能力——就像網球的例子一樣——幫助它在溫度的反復快速變化中存活下來。(這個性質被稱為負泊松比)它也有內部的“墻”,由雙層玻璃結構加強,這減少瞭材料的重量,同時增加瞭它的絕緣能力。

研究人員開發的制造這種新型氣凝膠的過程也可以用於制造其他超輕量材料。這些材料可以用於航天器、汽車或其他特殊設備的隔熱。它們還可以用於熱能儲存、催化或過濾。

相关新闻