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
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(jīng)創(chuàng)造出了一種非常輕、非常耐用的陶瓷氣凝膠。這種材料可以用于隔熱航天器等應用，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于隔離工業(yè)設備，并在美國宇航局的火星探測車任務中被用于隔離科學設備。但新版本在極端高溫和反復的溫度峰值環(huán)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。它也垂直于被壓縮的方向收縮——想象一下把一個網(wǎng)球壓在桌子上，讓球的中心向內(nèi)移動，而不是向外擴張——這與大多數(shù)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%并完全恢復，而其他現(xiàn)有的氣凝膠只能壓縮到20%左右，然后完全恢復。
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(yōu)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于可重復使用的航天器。但目前的陶瓷氣凝膠非常脆弱，在反復暴露于極端高溫和劇烈的溫度波動后容易斷裂，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(wǎng)一樣。在研究中，它經(jīng)受住了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(nèi)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(jīng)受住了數(shù)百次突然的極端溫度峰值。在另一項測試中，它在1400攝氏度下儲存一周后，機械強度下降了不到1%。
新型陶瓷氣凝膠耐久性的關鍵在于其獨特的結構，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并最終失效。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，氣凝膠垂直于被壓縮方向的收縮能力——就像網(wǎng)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(zhì)被稱為負泊松比)它也有內(nèi)部的“墻”，由雙層玻璃結構加強，這減少了材料的重量，同時增加了它的絕緣能力。
研究人員開發(fā)的制造這種新型氣凝膠的過程也可以用于制造其他超輕量材料。這些材料可以用于航天器、汽車或其他特殊設備的隔熱。它們還可以用于熱能儲存、催化或過濾。
