第一作者：Xiang Xu, Qiangqiang Zhang, Menglong Hao,

    通訊作者：段鑲鋒、黃昱、Hui Li

    通訊單位：加州大學洛杉磯分校、哈爾濱工業大學

    研究亮點：

    1. 發展了一種具有雙曲結構的三維陶瓷氣凝膠，同時具有負的熱膨脹系數和負的泊松比。

    2. 陶瓷氣凝膠具備超輕、高力學強度和超級隔熱三大優勢。

    極端環境對新材料的迫切需求

    在極端環境中，譬如需要再高溫和反應氣氛中操作的航空航天領域，材料必須同時具備超輕，高力學強度和絕熱三大特點。實現這些種完全不同的功能需要對材料本身進行合理設計，通過多尺度多級次結構設計，以實時響應極端環境因素。

    陶瓷氣凝膠在極端環境中的應用

    氣凝膠是一種固體物質形態的混合物或復合物，是世界上密度最小的固體。氣凝膠是由空氣或自由空間與陶瓷，金屬，顆粒，粉末或碳固體介質組成，其中空氣或自由空間的比例> 99％。 因此，氣凝膠可以非常輕。

    其中，陶瓷氣凝膠具有許多優異的性能，例如低密度，優異的隔熱性和化學穩定性，可在腐蝕性環境中的高溫條件下操作。因此，陶瓷氣凝膠已經被廣泛應用于航空航天等極端材料性能要求領域。

    陶瓷氣凝膠亟待解決的關鍵問題

    典型的陶瓷材料如二氧化硅，氧化鋁和碳化硅的氣凝膠非常脆，在應力下，特別是在高溫或突然的熱沖擊下易碎。用于減輕陶瓷氣凝膠脆性的常規策略又經常導致其他性能的降低，例如導熱性的增加。

    通過非常規策略的多尺度多級次結構設計，可以獲得既具有負泊松比（使其在拉伸時沿法線方向膨脹），又具有負熱膨脹系數（使其在加熱時收縮）的雙負指數材料，從而提高斷裂韌性并減輕陶瓷的脆性。

    然而，由于加工限制，制造具有分層結構的塊狀三維陶瓷超材料氣凝膠依然困難重重！

    成果簡介

    有鑒于此，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒、黃昱團隊和哈爾濱工業大學Hui Li團隊合作，報道了一種具有雙曲結構的三維hBN陶瓷氣凝膠，同時具有負的熱膨脹系數和負的泊松比，具備超輕、高力學強度和超級隔熱三大特點。

圖1. 設計與制備過程

    要點1：制備策略

    研究人員首先使用先前報道的技術制造石墨烯氣凝膠，用作犧牲模板，在其上生長hBN層。 因為hBN具有高度抗氧化性并且在空氣中的熱穩定性優于石墨烯，所以石墨烯模板可以通過氧化的方法很容易除去以留下純hBN氣凝膠。最終，研究人員得到hBN（2D陶瓷）原子薄壁雙曲氣凝膠，其中相互連接的有晶格缺陷的原子級超薄平面形成蜂窩網絡。，

圖2. 材料表征

    要點2：設計原理

    一方面，從2D材料獲得的氣凝膠具有2D納米片的面對面堆疊，使得氣凝膠的胞壁由最小厚度的材料組成，具有極高的機械強度。另一方面，從2D納米片獲得的3D分層結構將氣凝膠分成微小的單元，使得它們之間的空氣對流減少，從而能夠實現低于空氣的熱導率。

圖3. 力學性能

圖4. 熱學性能

    要點3：優異性能

    這種氣凝膠具有負泊松比（-0.25）和負的線性熱膨脹系數（-1.8X10-6 per ℃），以下優點將使之在極端條件下極具應用前景，譬如太空飛行器的隔熱罩等極端應用：

    1. 超輕：密度接近0.1 mg cm-3。：2

    2. 超低導熱性：真空和空氣中的熱導分別約為2.4 mW/m K和20 mW/m K。

    3. 超高力學性能：高達95％的超高彈性變形，具有數百次循環的抗熱沖擊性，在275℃/s熱沖擊或1400℃強烈熱應力下強度損失幾乎為零。

    總之，這項研究為超輕質材料在各種極端環境中的力學和熱性能的合理設計開辟了新的路徑。

    參考文獻：

    1.Xiang Xu, Qiangqiang Zhang, Menglong Hao, Yu Huang, Xiangfeng Duan et al. Double-negative-indexceramic aerogels for thermal superinsulation. Science 2019, 363, 723-727.

    http://science.sciencemag.org/content/363/6428/723

    2.Manish Chhowalla, Deep Jariwala. Hyperbolic 3D architectures with 2D ceramics. Science2019, 363, 694-695.

    http://science.sciencemag.org/content/363/6428/694

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責任編輯：殷鵬飛

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