Отрицательный коэффициент теплового расширения защитил аэрогель от разрушения

Xiangfeng Duan and Xiang Xu/UCLA

Ученые из США, Китая и Саудовской Аравии создали аэрогель, который сжимается при нагревании и деформации. Кроме того, он полностью восстанавливается после сжатия в двадцать раз и практически не теряет своих механических свойств при резких изменениях температуры на тысячу градусов и более, рассказывают авторы статьи в Science.

Аэрогели — пористые гели, состоящие из твердой фазы и пор, которые занимают практические весь объем, нередко более 99 процентов. Это делает такие материалы удобными для применения во многих сферах. Благодаря практически полному отсутствию твердой фазы аэрогели имеют крайне низкую плотность. Кроме того, это делает их практически идеальным теплоизолятором, имеющим очень низкую теплопроводность, причем она уменьшается при помещении аэрогеля в вакуум, что особенно удобно при использовании в космической технике.

Но у аэрогелей есть и недостатки, связанные с конкретными сферами использования. К примеру, при использовании аэрогелей для теплоизоляции в условиях сильно меняющихся температур они подвергаются деформации из-за теплового расширения. Из-за этого, особенно при многократном и быстром нагревании, в материале накапливаются дефекты, что может привести к потере прочности и появлению трещин.

Ученые под руководством Сянфэна Дуаня (Xiangfeng Duan) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе создали аэрогель, имеющий отрицательный коэффициент теплового расширения — он уменьшается в объеме при нагревании. Аэрогель состоит из гексагонального нитрида бора, однако создается он на базе графенового аэрогеля. Сначала ученые создают с помощью гидротермального синтеза и бесконтактной лиофилизации аэрогель, состоящий из графеновых пластин, имеющих форму гиперболической поверхности. Затем на поверхность графена с помощью химического осаждения из газовой фазы наносится прекурсор нитрида бора, который затем превращается в сам нитрид бора. Все операции, кроме последней, проводятся в вакууме, а на итоговом этапе аэрогель помещают на воздух и нагревают до 600 градусов Цельсия, в результате чего графен выжигается, а нитрид бора остается, образуя пористую структуру из двойных стенок.

После получения образцов аэрогеля авторы протестировали их свойства. Прежде всего, он имеет два необычных свойства — отрицательные коэффициенты теплового расширения и Пуассона. Благодаря этому при механическом давлении материал сжимается не только в направлении деформации, но и в перпендикулярной ему плоскости. Кроме того, отрицательный коэффициент теплового расширения приводит к уменьшению объема материала при его нагревании.

Кроме того, авторы провели количественные оценки свойств аэрогеля. Исследователи выяснили, что аэрогель способен полностью восстанавливать свой исходный объем после квазистатического сжатия, при котором он уменьшается в 20 раз. Кроме того, его модуль Юнга практически не уменьшается после ста циклов сжатия в десять раз.

Также исследователи провели измерения тепловых свойств материала и установили, что он хорошо переносит резкие изменения температуры. Они меняли температуру аэрогеля между −198 и 900 градусами Цельсия со скоростью до 275 градусов в секунду. После 500 таких скачков температуры морфология материала не изменилась, а его предел прочности практически не уменьшился. Наконец, авторы измерили один из главных параметров аэрогелей и установили, что материал имеет теплопроводность 20 милливатт на метр-кельвин на воздухе и 2,4 милливатта на метр-кельвин в вакууме. Для сравнения, теплопроводность воздуха составляет 22-24 милливатта на метр-кельвин.

Низкая плотность аэрогелей позволяла исследователям предполагать, что некоторые легкие и прочные материалы могут позволить создать аэрогель, который будет плавать в воздухе благодаря низкой плотности. Однако в 2017 году американские ученые показали, что в действительности создать графеновый аэрогель с плотностью ниже воздуха невозможно, потому что в таком случае внешнее давление просто сожмет материал.

Григорий Копиев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.