中科院科學傢制備氮化硼納米帶氣凝膠 1000 °C下仍保持超柔性

4月1日,記者瞭解到,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張學同研究員領導的氣凝膠團隊與德國科學傢合作,將實驗設計與理論計算相結合,通過溶劑組分調控氫鍵網絡,尋找到一條簡便、高效、綠色的合成路徑,成功制備得到超柔性氮化硼納米帶氣凝膠,並實現瞭氣凝膠材料在很寬溫度范圍內(-196 °C——1000 °C)及不同載荷沖擊形式(壓縮、彎曲、扭曲、剪切等)下的柔性保持。

中科院科學傢制備氮化硼納米帶氣凝膠 1000 °C下仍保持超柔性

研究表明,該氮化硼氣凝膠由超薄(——3.2 nm)、大長徑比(幾百)、多孔帶狀納米結構相互纏繞、搭接而成,表現出超輕(——15 mg cm-3)、熱絕緣(——0.035 W/mK)、高比表面積(——920 m2 g-1)及優異的力學性能。該氣凝膠在多次循環壓縮、扭曲、彎曲、剪切等不同載荷下,可保持結構不被破壞、且可快速恢復至原有形狀。當該氣凝膠被浸泡在液氮中,其壓縮-回彈性能仍能夠很好保持。進一步地,當氮化硼氣凝膠被放置於酒精燈火焰或高於1000 °C的管式爐(空氣氛圍)時,其穩定的力學柔性仍被完好保留,且可承受不同載荷的沖擊。上述氮化硼氣凝膠的超柔性展示如下圖所示。

中科院科學傢制備氮化硼納米帶氣凝膠 1000 °C下仍保持超柔性

獲得的超柔性氮化硼氣凝膠有望在航空航天的隔熱透波、核反應堆的核防護及熱防護等高端領域獲得實際應用。該工作以“Boron Nitride Aerogelswith Super-Flexibility Ranging from Liquid Nitrogen Temperature to 1000 °C”為題,發表在國際著名期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials, 2019,29, 1900188)上。

據瞭解,氣凝膠是一種固體物質形態,世界上密度最小的固體。密度為3kg每立方米。一般常見的氣凝膠為矽氣凝膠,其最早由美國科學工作者Kistler在1931年制得。氣凝膠的種類很多,有矽系,碳系,硫系,金屬氧化物系,金屬系等等。aerogel是個組合詞,此處aero是形容詞,表示飛行的,gel顯然是凝膠。字面意思是可以飛行的凝膠。任何物質的gel隻要可以經幹燥後除去內部溶劑後,又可基本保持其形狀不變,且產物高孔隙率、低密度,則皆可以稱之為氣凝膠。

中科院科學傢制備氮化硼納米帶氣凝膠 1000 °C下仍保持超柔性

略低於比空氣密度,所以也被叫做“凍結的煙”或“藍煙”。由於裡面的顆粒非常小(納米量級),所以可見光經過它時散射較小(瑞利散射),就像陽光經過空氣一樣。因此,它也和天空一樣看著發藍(如果裡面沒有摻雜其它東西),如果對著光看有點發紅。(天空是藍色的,而太陽看起來有點紅)。由於氣凝膠中一般80%以上是空氣,所以有非常好的隔熱效果,一寸厚的氣凝膠相當20至30塊普通玻璃的隔熱功能。即使把氣凝膠放在玫瑰與火焰之間,玫瑰也會絲毫無損。氣凝膠在航天探測上也有多種用途,在俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”的探測器上都有用到這種材料。氣凝膠也在粒子物理實驗中,使用來作為切連科夫效應的探測器。位在高能加速器研究機構B介子工廠的Belle 實驗探測器中一個稱為氣凝膠切連科夫計數器(Aerogel Cherenkov Counter, ACC) 的粒子鑒別器,就是一個最新的應用實例。這個探測器利用的氣凝膠的介於液體與氣體之低折射系數特性,還有其高透光度與固態的性質,優於傳統使用低溫液體或是高壓空氣的作法。同時,其輕量的性質也是其中一個優點。

科學傢聲稱,氣凝膠的基本制備原理是除去凝膠中的溶劑,讓其保留完整的骨架。在以往制備氣凝膠的案例中,科學傢主要采用溶膠—凝膠法和模板導向法。前者可以批量合成,但是可控性差;後者能產生有序的結構,但依賴於模板的精細結構和尺寸,難以大量制備。

高超課題組另辟蹊徑,探索出無模板冷凍幹燥法:將溶解瞭石墨烯和碳納米管的水溶液在低溫下凍幹,便獲得瞭“碳海綿”,並且可以任意調節形狀,令生產過程更加便捷,也使這種超輕材料的大規模制造和應用成為可能。

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