Ny aerogel bevarer funktionalitet, superelasticitet ved ekstreme temperaturer

Aerogelmaterialer tjener en afgørende rolle som beskyttelsesmaterialer, der er nødvendige for mange områder, herunder som elektromagnetisk interferensafskærmningsmateriale til 5G-teknologi, termisk isolerende materiale i højhuse og infrarødt stealth-materiale til militære applikationer. Nuværende beskyttelsesmaterialer mister dog ofte deres beskyttende funktioner under barske forhold, såsom ekstreme temperaturer, hvilket gør dem ineffektive. Andre beskyttende materialer mister deres elasticitet, hvilket fører til lignende præstationsproblemer. Nu er nye aerogelmaterialer, der kan bevare deres funktionalitet og superelasticitet under ekstreme temperaturer, blevet udviklet af et team af forskere fra Sichuan University.

Resultaterne blev offentliggjort i Nano Research .

"Vi havde til formål at løse problemet med, at ydeevnen af ​​konventionelle beskyttende aerogelmaterialer forringes alvorligt under barske arbejdsforhold," sagde den tilsvarende forfatter Hai-Bo Zhao, professor ved College of Chemistry ved Sichuan University.

Før Zhaos teams udvikling blev polymerbaserede skummaterialer almindeligvis brugt som beskyttende materialer. Disse materialer udviste de positive træk ved superelasticitet og høj komprimerbarhed, men var ude af stand til at opretholde disse egenskaber efter polymerernes smeltetemperaturer. Et andet almindeligt anvendt materiale var metalliske og keramiske skum, som var stabile på tværs af temperaturområder på en måde, som deres polymerbaserede skummodstykker ikke var, men ikke havde den nødvendige elasticitet for at være praktisk.

En tilgang, der kom tættere på en skalerbar løsning, involverede anvendelse af kulstofaerogeler, som har egenskaber, der egner sig godt til termisk isolering og elektromagnetisk interferens, såsom højt specifikt overfladeareal, lav tæthed, god elektrisk ledningsevne og kemisk og termisk stabilitet. Kulstofaerogeler har dog begrænsninger på grund af visse iboende egenskaber. Carbon nanorør blev en populær måde at konstruere superelastiske carbon aerogeler, da de kunne opretholde de nødvendige egenskaber ved høje temperaturer, men fordi forberedelsen krævede så mange trin, var metoderne ikke skalerbare.

Ved at fokusere på mikrostrukturdesignet var Zhaos team i stand til at udvikle en polymer aerogel med superelasticitet, der fungerede i et temperaturområde på -196 til 500°C med en proces, der var skalerbar og praktisk.

"I modsætning til de fleste tidligere rapporterede kulstofaerogeler, som normalt har dårlige mekaniske egenskaber, udviser de forberedte aerogelmaterialer temperatur-invariant superelasticitet, mens de opretholder multifunktionel beskyttende ydeevne," sagde Zhao, som også er tilknyttet National Engineering Laboratory for Eco-Friendly Polymeric Materials i Sichuan og med Collaborative Innovation Center for Eco-Friendly and Fire-Safety Polymeric Materials.

Zhaos metode bruger tovejsorienterede kulstof/kulstof aerogel-komposit multi-væggede kulstof nanorør – med andre ord en kombination, der gør det muligt at kombinere de positive egenskaber af kulstof aerogel med de positive egenskaber af kulstof nanorør – med et højt ordnet kulstofskelet, et af de nøgledifferentiere mellem denne nye metode og tidligere metoder. Deres skalerbare metode til at opnå de ønskede mikrostrukturer – specifikt meget orienterede buestrukturer – involverer en tovejs frysnings- og karboniseringsproces for at udvikle carbon/carbon-aerogelerne.

"De rapporterede aerogelmaterialer opretholder superelasticitet, høj elektromagnetisk interferensafskærmningseffektivitet, termisk isolering og infrarød stealth i et bredt temperaturområde fra -196 til 500 °C og efter cyklisk kompression i hundredvis af gange," sagde Zhao. "Det mest spændende aspekt er den økonomiske og enkle forberedelsesproces, som lagde grundlaget for den potentielle praktiske anvendelse af materialet."

Zhao sagde, at næste skridt er at gøre aerogelerne tilgængelige til brug i kommercielle, militære og andre sammenhænge.

"Vi vil gerne fremme industrialiseringen af ​​den rapporterede aerogel og fremme anvendelsen i 5G-teknologi, højhuse, militær brug og mere," sagde han. + Udforsk yderligere

En keramisk aerogel lavet med nanokrystaller og indlejret i en matrix til brug i termisk isoleringsapplikationer