Nieuwe aerogel behoudt functionaliteit, superelasticiteit bij extreme temperaturen

Aerogel-materialen spelen een cruciale rol als beschermende materialen die nodig zijn voor veel velden, waaronder als afschermingsmateriaal tegen elektromagnetische interferentie voor 5G-technologie, thermisch isolerend materiaal in hoogbouw en infrarood stealth-materiaal voor militaire toepassingen. Huidige beschermende materialen verliezen echter vaak hun beschermende functies onder zware omstandigheden, zoals extreme temperaturen, waardoor ze ondoeltreffend worden. Andere beschermende materialen verliezen hun elasticiteit, wat leidt tot vergelijkbare prestatieproblemen. Nu zijn nieuwe aerogelmaterialen ontwikkeld die hun functionaliteit en superelasticiteit onder extreme temperaturen kunnen behouden door een team van onderzoekers van de Sichuan University.

De resultaten zijn gepubliceerd in Nano-onderzoek.

“We wilden het probleem oplossen dat de prestaties van conventionele beschermende aerogelmaterialen ernstig verslechteren onder zware werkomstandigheden”, zegt de corresponderende auteur Hai-Bo Zhao, professor aan het College of Chemistry aan de Universiteit van Sichuan.

Voorafgaand aan de ontwikkelingen van Zhao’s team werden schuimmaterialen op basis van polymeer vaak gebruikt als beschermende materialen. Deze materialen vertoonden de positieve eigenschappen van superelasticiteit en hoge samendrukbaarheid, maar waren niet in staat om deze eigenschappen te behouden na de smelttemperaturen van de polymeren. Een ander veelgebruikt materiaal waren metalen en keramische schuimen, die stabiel waren over temperatuurbereiken op een manier dat hun tegenhangers op polymeerbasis dat niet waren, maar niet de elasticiteit hadden die nodig was om praktisch te zijn.

Een benadering die dichter bij een schaalbare oplossing kwam, was het gebruik van koolstof-aerogels, die eigenschappen hebben die zich goed lenen voor thermische isolatie en elektromagnetische interferentie, zoals een hoog specifiek oppervlak, lage dichtheid, goede elektrische geleidbaarheid en chemische en thermische stabiliteit. Koolstofaerogels hebben echter beperkingen vanwege bepaalde inherente eigenschappen. Koolstofnanobuisjes werden een populaire manier om superelastische koolstofaerogels te construeren, omdat ze de benodigde eigenschappen bij hoge temperaturen konden behouden, maar omdat de voorbereiding zoveel stappen vereiste, waren de methoden niet schaalbaar.

Door zich te concentreren op het ontwerp van de microstructuur, was het team van Zhao in staat om een ​​polymeer aerogel met superelasticiteit te ontwikkelen die functioneerde in een temperatuurbereik van -196 tot 500°C met een proces dat schaalbaar en praktisch was.

“In tegenstelling tot de meeste eerder gemelde koolstofaerogels die gewoonlijk slechte mechanische eigenschappen hebben, vertonen de voorbereide aerogelmaterialen een temperatuurinvariante superelasticiteit met behoud van multifunctionele beschermende prestaties,” zei Zhao, die ook is aangesloten bij het National Engineering Laboratory for Eco-Friendly Polymeric Materials in Sichuan en met het Collaborative Innovation Centre for Eco-Friendly and Fire-Safety Polymeric Materials.

Zhao’s methode maakt gebruik van bidirectioneel georiënteerde koolstof/koolstof aerogel composiet meerwandige koolstof nanobuisjes – met andere woorden, een combinatie die het mogelijk maakt om de positieve eigenschappen van koolstof aerogels te combineren met de positieve eigenschappen van koolstof nanobuisjes – met een zeer geordend koolstofskelet, een van de belangrijke onderscheidende factoren tussen deze nieuwe methode en eerdere methoden. Hun schaalbare methode om de gewenste microstructuren te bereiken, met name sterk georiënteerde boogstructuren, omvat een bidirectioneel bevriezings- en carbonisatieproces om de koolstof / koolstof-aerogels te ontwikkelen.

“De gerapporteerde aerogelmaterialen behouden hun superelasticiteit, hoge effectiviteit van de afscherming tegen elektromagnetische interferentie, thermische isolatie en infrarood stealth in een breed temperatuurbereik van -196 tot 500 ° C en na cyclische compressie gedurende honderden keren,” zei Zhao. “Het meest opwindende aspect is het economische en eenvoudige voorbereidingsproces, dat de basis heeft gelegd voor de mogelijke praktische toepassing van het materiaal.”

Zhao zei dat de volgende stap is om de aerogels beschikbaar te maken voor gebruik in commerciële, militaire en andere contexten.

“We willen de industrialisatie van de gerapporteerde aerogel bevorderen en de toepassing in 5G-technologie, hoogbouw, militair gebruik en meer bevorderen”, zei hij.