Chemisch gebonden aerogel met meerdere nanolagen voor thermische superisolatie

Thermische superisolatiematerialen met lage thermische geleidbaarheid zijn essentieel voor thermische isolatie en bescherming onder extreme omstandigheden. Deze materialen zijn met name vereist op gebieden als verkenning van de verre ruimte, lucht- en ruimtevaart, mechanische en thermische energietechniek, die uitzonderlijke isolatie en betrouwbaarheid nodig hebben.

Anorganische aerogels hebben veel superieure eigenschappen vertoond, zoals ultralicht gewicht, hoge vervormbaarheid, uitstekende brand-/corrosieweerstand en lage thermische geleidbaarheid, wat veelbelovend is in thermische isolatoren.

Anorganische aerogels worden echter nog steeds geplaagd door een wisselwerking tussen hun mechanische en thermische eigenschappen, wat een belangrijk obstakel vormt om hun functionaliteit verder te onderzoeken. Hoewel verbetering van mechanische of thermische eigenschappen goed is bestudeerd in anorganische aerogels, is er nog steeds een gebrek aan efficiënte synergetische strategieën om deze typische afweging op te lossen.

In een nieuw onderzoeksartikel gepubliceerd in de Nationale wetenschappelijke recensiepresenteren onderzoekers van Harbin Institute of Technology en Southeast University een chemisch gebonden multi-nanolaag ontwerp en synthese van een grafeen / amorf boornitride aerogel (a-BNGA) om tegelijkertijd de mechanische en thermische eigenschappen te verbeteren.

In tegenstelling tot eerdere werken, wordt het grafeenraamwerk aan beide zijden gelijkmatig afgezet door een a-BN-nanolaag, waardoor een chemisch gebonden multi-nanolaagstructuur wordt gevormd. Het bleek dat de chemisch gebonden interfaces de uniforme a-BN-mantel stevig verankeren op het grafeenskelet, dat werkt via een peesachtig mechanisme, wat zorgt voor een synergetische vervorming en belastingsoverdracht in het raamwerk.

Bovendien kan een a-BN-nanolaag de elastische stijfheid van celwanden verhogen en een gewenste verdeling van het buigmoment geven, waardoor een gekoppeld verstevigingseffect wordt gerealiseerd om de structurele veerkracht te verbeteren.

De resulterende a-BNGA heeft een ultralage dichtheid met ultrahoge flexibiliteit (elastische drukbelasting tot 99%, elastische buigbelasting tot 90%) en uitzonderlijke thermische stabiliteit (bijna geen sterkteverslechtering na scherpe thermische schokken). De onderzoekers demonstreren de flexibele vervormbaarheid door het vouw- en ontvouwproces van een aerogelbloem in menselijke hand.

Met name de a-BN-nanolaag in aerogel, die meer dan 20% in volume bedraagt, is mechanisch cruciaal maar thermisch inactief – een ideale toestand voor thermische isolatiematerialen. De vaste geleiding en stralingsbijdragen, die samen de schijnbare thermische geleidbaarheid van materiaal in vacuüm vormen. Door te profiteren van de schaarste aan effectieve geleidingspaden door lage dichtheid en de extra fononverstrooiing per interface, kan vaste geleiding effectief worden geremd.

Bovendien kan grafeen worden gebruikt als een infraroodabsorbeerder om het stralingswarmtetransport te verminderen. De onderzoekers hebben deze aerogel tot nu toe experimenteel bewezen met een record-lage thermische geleidbaarheid in vacuüm tussen vrijstaande vaste materialen. Bovendien ontwierpen ze een maanbasismodel dat in hoog vacuüm werkt om de thermische superisolatiemogelijkheden van aerogel in buitenaardse verkenningstoepassingen te demonstreren.

“We bereiken een combinatie van uitzonderlijke mechanische en thermische eigenschappen van anorganische aerogel en definiëren een robuust materiaalsysteem voor thermische superisolatie onder extreme omstandigheden, zoals maan- en Mars-bases, satellieten en ruimtevaartuigen,” zei prof. Xiang Xu, “Dit soort materiaal en structureel ontwerp kan ook mogelijkheden bieden voor anorganische aerogels om andere unieke functies te verlenen.”