陶瓷氣凝膠因其超輕、耐火、耐腐蝕、耐高溫等特性，非常適合解決航空航天領域的隔熱問題，但其脆性、高溫析晶、熱震坍縮等問題嚴重制約了相關研究和應用。近日，哈爾濱工業(yè)大學、蘭州大學、美國加州大學洛杉磯分校、加州大學伯克利分校等高校研究人員，共同研究合成了米層狀結構的雙曲線結構陶瓷氣凝膠，通過結構設計實現(xiàn)了“負特性”的超材料，該材料可以極大增強傳統(tǒng)陶瓷氣凝膠材料的各項性能，甚至賦予其新的特性。相關研究結果近日發(fā)表于《科學》雜志。

加州大學洛杉磯分校的研究人員和其他八個研究機構的合作伙伴已經(jīng)發(fā)明了一種新型材料，這種輕質氣凝膠由陶瓷制成，非常耐用，有朝一日可用于人類已知的一些極端條件 ，例如在重返地球大氣層時保護航天器不受大氣摩燃燒影響。陶瓷氣凝膠過去曾用于此類目的。

輕質耐用陶瓷氣凝膠或成航空航天新材料

研究小組表示，他們創(chuàng)造的新氣凝膠在暴露于極熱和太空任務中看到的極端溫度變化后比以前的氣凝膠更耐用。這種材料具有獨特的原子組成和結構，使其具有不同尋常的彈性。

當材料被加熱時，它會收縮，而不是像大多數(shù)陶瓷那樣膨脹。這種新材料的另一個獨特特性是它垂直于壓縮方向收縮?？茖W家們說你可以想到這就好像一個網(wǎng)球向內(nèi)移動而不是在壓在桌子上時伸展開來。這使得材料比現(xiàn)有陶瓷更柔韌，更不易碎。材料可壓縮至其原始體積的 5% 并完全恢復。相比之下，其他氣凝膠只能壓縮到其原始體積的約 20% 并仍然可以恢復。

輕質耐用陶瓷氣凝膠或成航空航天新材料

這種材料是用氮化硼薄層制成，氮化硼是一種原子以六邊形連接的陶瓷材料。研究小組說，這種材料在 1400 攝氏度的溫度下存放一周后，其機械強度損失不到 1%。

該研究成果基于5年的石墨烯氣凝膠基礎研究，并歷時2年完成。該論文第一作者、哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院副教授徐翔向《中國科學報》介紹，前期的基礎研究完成了石墨烯氣凝膠的超彈性、負泊松比、超輕、導電、流體行為、耗能行為等研究。

負泊松比效應，是指受拉伸時，材料在彈性范圍內(nèi)橫向發(fā)生膨脹，而受壓縮時，材料的橫向反而發(fā)生收縮。這種現(xiàn)象在熱力學上是可能的，但通常材料中并沒有普遍觀察到負泊松比效應的存在。

于是，研究團隊在負泊松比增強石墨烯氣凝膠變形特性的研究基礎上，采用在石墨烯氣凝膠模板原位沉積陶瓷的CVD技術，并通過加熱刻蝕模板的方法，使得制備所得的陶瓷氣凝膠不但獲得了負泊松比特性，并通過孔壁的“雙壁”亞結構，同時實現(xiàn)了陶瓷氣凝膠的負熱膨脹特性，從而極大增強了陶瓷氣凝膠的力學及熱學等性能。

據(jù)了解，與聚合物和環(huán)氧樹脂不同，陶瓷材料不易熔化、分解或軟化；與諸如有機物的其他物質相比，其化學鍵不因熱和紫外輻射而斷裂，且具有良好的導熱性。此外，陶瓷不會在深層空間的極端真空中排出氣體，具有優(yōu)良的電氣隔離特性，即使在長久高溫下也有長壽命，是優(yōu)質的航空航天材料之選。

徐翔表示，研究過程并非一帆風順，研究人員突破了諸多困難。陶瓷氣凝膠CVD的制備是研究的關鍵，為賦予陶瓷氣凝膠柔韌性，控制孔壁壁厚，提高陶瓷氣凝膠結晶性，并實現(xiàn)結構設計，研究人員歷經(jīng)了近千次的反復實驗。此外，陶瓷氣凝膠具有的超輕特性，使得商用測量系統(tǒng)無法測試其導熱系數(shù)。為此，研究團隊搭建了專門的測量設備，并進行了可靠性論證工作。

該論文通訊作者、加州大學洛杉磯分?；瘜W系教授段鑲鋒告訴《中國科學報》，該陶瓷氣凝膠為解決陶瓷超輕結構的脆性問題，以及受熱析晶問題提供了研究思路，極大地促進了陶瓷氣凝膠在隔熱、催化、能源、環(huán)境治理、航空航天等領域的應用。

段鑲鋒表示，該項研究僅僅是一個開始，下一步研究團隊將繼續(xù)研制更柔韌，能適應更高工作溫度，具有更低導熱系數(shù)的陶瓷氣凝膠超輕結構，進一步促進陶瓷氣凝膠在多領域的廣泛應用。