Light-as-air ceramic could help spacecraft stay cool — ABC Chemicals

Суперизолирующий аэрогель из нитрида бора может выдерживать температуру до 1400 ° C без потери механической прочности.

Light-as-air ceramic could help spacecraft stay cool - ABC Chemicals

Несмотря на плотность всего 1%, как у воды, сверхизоляционный материал, изготовленный из нитрида бора, может защитить оборудование космического корабля от сильной жары или холода.1

В отличие от других керамических аэрогелей — твердых дисперсий, содержащих более 99% воздуха — материал не становится хрупким в экстремальных условиях. Он может нагреваться до 1400 ° C в течение одной недели и выдерживать 500 температурных ударов, которые охлаждают его от 900 ° C до –198 ° C за четыре секунды — и все это без потери механической устойчивости.

Команда из Сянфэна Дуана и Ю Хуанга из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, США, и Хуэй Ли из Харбинского технологического института в Китае разработали материал, используя более крепкого кузена графена, гексагональный нитрид бора. Оба они атомно тонкие и имеют сотовую структуру, но нитрид бора химически более устойчив и не окисляется при высоких температурах.

Команда Дуана сначала создала шаблон из графена с гиперболическими поверхностями — формы седла с отрицательной кривизной. Шаблон покрыт боразином, борно-азотной версией бензола. При нагревании до 1500 ° С боразин сначала полимеризуется в полиборазилен, а затем теряет атомы водорода с образованием кристаллического нитрида бора. Наконец, графеновая матрица окисляется и сгорает.

Это оставляет двойную структуру нитрида бора, которая, по мнению исследователей, подавляет воздушную проводимость и конвекцию, делая ее сверхизоляционной. Он вдвое менее теплопроводный, чем графеновый аэрогель. Чтобы проверить это, исследователи поместили свежий цветок на аэрогель толщиной 2 см, сидящий сверху пламени при 500 ° C. Через 15 минут они обнаружили, что «цветок показал лишь слабое увядание».

«Очень интересно, что вы можете просто использовать 2D-материалы для построения 3D-архитектуры — так что это похоже на 2-мерный материал», — говорит Джулия Грир из Калифорнийского технологического института, США, которая недавно создала суперизолятор из наноразмерных полых алюминиевых балок.2 «Это открывает новую область, где вы можете использовать 2D материалы для создания чего-то, что не имеет периодической решетки».

Light-as-air ceramic could help spacecraft stay cool - ABC Chemicals

Гиперболический дизайн аэрогеля придает ему необычные свойства: он становится тоньше при сжатии и сжимается при нагревании. Он также очень эластичен и восстанавливает свой полный объем после сжатия 95%; большинство керамических аэрогелей могут восстанавливать только компрессии до 80%.

«Чрезвычайная сжимаемость [материала] в сочетании с термостабильностью и отрицательным коэффициентом теплового расширения впечатляет», — говорит Маркус Уорсли, работающий над наноструктурными материалами в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, США. «Основным недостатком этого материала может быть масштабируемость и стоимость пути синтеза, который включает матрицу аэрогеля графена и химическое осаждение из паровой фазы».

Однако, поскольку аэрогель был испытан только при сжатии, но не при растяжении, он, вероятно, будет слишком хрупким для любых применений, говорит Грир. «Для космических применений это было бы здорово с точки зрения веса и, возможно, с точки зрения теплопроводности, но ее абсолютная сила слишком мала, она слишком мала», — объясняет она. «Он будет уничтожен раньше, чем тот объект, который он пытается защитить».

«Сейчас у нас хорошие механические свойства в одном направлении, а не в двух других, потому что структура гиперболическая и по своей сути анизотропная», — говорит Дуань. «Это то, над чем мы должны работать».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *