Forskere skaber ultraletvægts keramisk materiale, der modstår ekstreme temperaturer

UCLA-forskere og samarbejdspartnere ved otte andre forskningsinstitutioner har skabt et ekstremt let, meget holdbar keramisk aerogel. Materialet kan bruges til applikationer som isolerende rumfartøjer, fordi det kan modstå den intense varme og alvorlige temperaturændringer, som rummissioner udholder.

Keramiske aerogeler er blevet brugt til at isolere industrielt udstyr siden 1990'erne, og de er blevet brugt til at isolere videnskabeligt udstyr på NASAs Mars rover-missioner. Men den nye version er meget mere holdbar efter eksponering for ekstrem varme og gentagne temperaturstigninger, og meget lettere. Dens unikke atomsammensætning og mikroskopiske struktur gør den også usædvanlig elastisk.

Når det er opvarmet, materialet trækker sig sammen i stedet for at udvide sig som anden keramik gør. Den trækker sig også sammen vinkelret på den retning, den er komprimeret - forestil dig at trykke en tennisbold på et bord og få boldens midte til at bevæge sig indad i stedet for at udvide sig ud - det modsatte af, hvordan de fleste materialer reagerer, når de komprimeres. Som resultat, materialet er langt mere fleksibelt og mindre skørt end nuværende avancerede keramiske aerogeler:Det kan komprimeres til 5 procent af dets oprindelige volumen og genvindes fuldstændigt, mens andre eksisterende aerogeler kun kan komprimeres til omkring 20 procent og derefter genoprettes helt.

Forskningen, som blev offentliggjort i dag i Videnskab , blev ledet af Xiangfeng Duan, en UCLA professor i kemi og biokemi; Yu Huang, en UCLA professor i materialevidenskab og teknik; og Hui Li fra Harbin Institute of Technology, Kina. Undersøgelsens første forfattere er Xiang Xu, en gæstende postdoc-stipendiat i kemi ved UCLA fra Harbin Institute of Technology; Qiangqiang Zhang fra Lanzhou University; og Menglong Hao fra UC Berkeley og Southeast University.

Andre medlemmer af forskerholdet var fra UC Berkeley; Purdue University; Lawrence Berkeley National Laboratory; Hunan Universitet, Kina; Lanzhou Universitet, Kina; og King Saud University, Saudi Arabien.

På trods af at mere end 99 procent af deres volumen er luft, aerogeler er solide og strukturelt meget stærke i forhold til deres vægt. De kan laves af mange typer materialer, herunder keramik, kulstof- eller metaloxider. Sammenlignet med andre isolatorer, keramisk-baserede aerogeler er overlegne til at blokere ekstreme temperaturer, og de har ultralav densitet og er meget modstandsdygtige over for brand og korrosion - alle kvaliteter, der egner sig godt til genanvendelige rumfartøjer.

Men nuværende keramiske aerogeler er meget sprøde og har tendens til at gå i stykker efter gentagen udsættelse for ekstrem varme og dramatiske temperaturudsving, som begge er almindelige i rumrejser.

Det nye materiale er lavet af tynde lag bornitrid, en keramik, med atomer, der er forbundet i sekskantede mønstre, som kyllingetråd.

I den UCLA-ledede forskning, det modstod forhold, der typisk ville knække andre aerogeler. Det stod op til hundredvis af eksponeringer for pludselige og ekstreme temperaturstigninger, da ingeniørerne hævede og sænkede temperaturen i en testbeholder mellem minus 198 grader Celsius og 900 grader over nul i løbet af blot et par sekunder. I en anden test, det mistede mindre end 1 procent af sin mekaniske styrke efter at have været opbevaret i en uge ved 1, 400 grader celsius.

"Nøglen til holdbarheden af ​​vores nye keramiske aerogel er dens unikke arkitektur, " sagde Duan. "Den medfødte fleksibilitet hjælper den med at tage de dunkende fra ekstreme varme- og temperaturchok, der ville få andre keramiske aerogeler til at svigte."

Almindelige keramiske materialer udvider sig normalt, når de opvarmes, og trækker sig sammen, når de afkøles. Over tid, disse gentagne temperaturændringer kan føre til, at disse materialer går i stykker og i sidste ende svigter. Den nye aerogel er designet til at være mere holdbar ved at gøre det modsatte - den trækker sig sammen i stedet for at udvide sig, når den opvarmes.

Ud over, aerogelens evne til at trække sig sammen vinkelret på den retning, den bliver komprimeret - som eksemplet med tennisbold - hjælper den med at overleve gentagne og hurtige temperaturændringer. (Denne egenskab er kendt som et negativt Poisson-forhold.) Den har også indvendige "vægge", der er forstærket med en dobbeltrudestruktur, som skærer ned på materialets vægt og øger dets isoleringsevner.

Duan sagde, at procesforskerne udviklede til at lave den nye aerogel også kunne tilpasses til at lave andre ultralette materialer.

"Disse materialer kunne være nyttige til termisk isolering i rumfartøjer, biler eller andet specialudstyr, " sagde han. "De kunne også være nyttige til termisk energilagring, katalyse eller filtrering."