Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Chemisch gebonden aerogel met meerdere nanolagen voor thermische superisolatie

(a) Illustratie van het fabricageproces van a-BNGA. (b) SEM-afbeelding van a-BNGA-framework. (c, d) TEM-afbeelding van een dwarsdoorsnede van een a-BNGA-celwand met meerlagige structuur. (e) Optische foto van a-BNGA met ruimtepak en maanbasisvormen. Krediet:Science China Press

Thermische superisolatiematerialen met een lage thermische geleidbaarheid zijn essentieel voor thermische isolatie en bescherming onder extreme omstandigheden. Deze materialen zijn met name nodig op gebieden als verkenning van de diepe ruimte, lucht- en ruimtevaart, mechanische en thermische energietechniek, die uitzonderlijke isolatie en betrouwbaarheid vereisen.



Anorganische aerogels hebben veel superieure eigenschappen vertoond, zoals ultralicht gewicht, hoge vervormbaarheid, uitstekende brand-/corrosieweerstand en lage thermische geleidbaarheid, wat veelbelovend is op het gebied van thermische isolatoren.

Anorganische aerogels worden echter nog steeds geplaagd door een afweging tussen hun mechanische en thermische eigenschappen, wat een belangrijk obstakel vormt voor het verder onderzoeken van hun functionaliteit. Hoewel verbetering van de mechanische of thermische eigenschappen goed is bestudeerd in anorganische aerogels, ontbreekt het nog steeds aan efficiënte synergetische strategieën om deze typische afweging op te lossen.

In een nieuw onderzoeksartikel gepubliceerd in de National Science Review , presenteren onderzoekers van het Harbin Institute of Technology en Southeast University een chemisch gebonden ontwerp en synthese van meerdere nanolagen van een grafeen/amorfe boornitride-aerogel (a-BNGA) om tegelijkertijd de mechanische en thermische eigenschappen te verbeteren.

In tegenstelling tot eerdere werken wordt het grafeenraamwerk aan beide zijden uniform afgezet door een a-BN-nanolaag, waardoor een chemisch gebonden structuur met meerdere nanolagen wordt gevormd. Er werd ontdekt dat de chemisch gebonden grensvlakken de uniforme a-BN-mantel stevig verankeren op het grafeenskelet, dat werkt via een peesachtig mechanisme en zorgt voor een synergetische vervorming en belastingoverdracht in het raamwerk.

(a) Een schema van de maanbasis. Aerogel dient als buitenste thermische schild voor een maanbasis. (b) Optische foto van de experimentele opstelling van het maanbasismodel in hoogvacuüm. (c) Schematische weergave van temperatuurveldsimulatie en hete grens in het verwarmingsproces. (d) Schematische weergave van temperatuurveldsimulatie en koudegrens in het koelproces. (e) Transiënte temperatuurcurven van de grenzen (boven) en de binnenomgeving (onder). Krediet:Science China Press

Bovendien kan een a-BN-nanolaag de elastische stijfheid van celwanden vergroten en zorgt voor een wenselijke buigmomentverdeling, waardoor een gekoppeld verstevigend effect wordt gerealiseerd om de structurele veerkracht te vergroten.

De resulterende a-BNGA heeft een ultralage dichtheid met ultrahoge flexibiliteit (elastische drukspanning tot 99%, elastische buigspanning tot 90%) en uitzonderlijke thermische stabiliteit (bijna geen krachtverlies na scherpe thermische schokken). De onderzoekers demonstreren de flexibele vervormbaarheid door het vouw- en ontvouwproces van een aerogelbloem in de menselijke hand.

Met name de a-BN-nanolaag in aerogel, die meer dan 20% in volume heeft, is mechanisch cruciaal maar thermisch inactief – een ideale toestand voor thermische isolatiematerialen. De vaste geleidings- en stralingsbijdragen, die samen de schijnbare thermische geleidbaarheid van materiaal in vacuüm vormen. Door te profiteren van de schaarste aan effectieve geleidingspaden door de lage dichtheid en de extra fononverstrooiing door het grensvlak, kan vaste geleiding effectief worden geremd.

Bovendien kan grafeen worden gebruikt als infraroodabsorber om het thermische stralingstransport te verminderen. De onderzoekers hebben deze aerogel experimenteel bewezen met een record-lage thermische geleidbaarheid in vacuüm onder vrijstaande vaste materialen tot nu toe. Daarnaast ontwierpen ze een maanbasismodel dat in hoogvacuüm werkt om de thermische superisolatiemogelijkheden van aerogel bij buitenaardse verkenningstoepassingen te demonstreren.

"We bereiken een combinatie van uitzonderlijke mechanische en thermische eigenschappen van anorganische aerogel en definiëren een robuust materiaalsysteem voor thermische superisolatie onder extreme omstandigheden, zoals maan- en Marsbases, satellieten en ruimtevaartuigen", zei prof. Xiang Xu, "dit soort materiaal en structureel ontwerp kan ook mogelijkheden bieden voor anorganische aerogels om andere unieke functies te vervullen."

Meer informatie: Hongxuan Yu et al, Chemisch gebonden anorganische aerogel met meerdere nanolagen en een record-lage thermische geleidbaarheid in een vacuüm, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad129

Aangeboden door Science China Press




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Bacteriën krijgen resistentie van concurrenten
  2. Cheerleaders helpen bij het ontdekken van bacteriën die beter groeien zonder zwaartekracht
  3. Invasieve soorten klinken over dreigende veranderingen in het ecosysteem
  4. Hoe evolueert de mens?
  5. Wat zijn de zuignappen op een Octopus genaamd?
  6. Studie wijst op cellulaire respons op druk in zeester-embryo's
  7. Dit is waarschijnlijk waarom je een geest hebt gezien, volgens Science
  8. Genomen van wilde tomaten bieden waardevolle hulpbron voor tomatenverbetering
  9. Vroege mensen gepaard met ingeteelde neanderthalers - tegen een prijs

Wetenschap