Отрицательный коэффициент теплового расширения защитил аэрогель от разрушения
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
Термопокрывало охладит электромобиль днем и согреет ночью
Китайские инженеры создали терморегулирующий материал и термопокрывало на его основе, которое защищает электромобиль от жары и холода без дополнительных затрат энергии. Термопокрывало состоит из двух частей, одна из которых представляет собой ткань на основе диоксида кремния и нитрида бора, а вторая на основе фольги из алюминиевого сплава. Использование материала в качестве автомобильного чехла позволило в жаркую погоду сохранять температуру в салоне почти на 28 градусов ниже, чем в салоне автомобиля без чехла, а ночью поддерживать температуру батарейного блока электромобиля почти на 7 градусов выше температуры снаружи. Статья опубликована в журнале Device. Поддержание определенной температуры необходимо не только для комфортного самочувствия человека, но и для нормальной работы многих технических устройств. Например, в холодную погоду литий-ионные аккумуляторы теряют емкость, а летом в жару перегреваются, что может привести к сокращению их срока службы или даже возгоранию. Чтобы удерживать температуру в нужном диапазоне, требуется дополнительная энергия на нагрев или охлаждение, и на это может уходить довольно много энергии, особенно если речь идет о больших аккумуляторных батареях — как, например, в электромобилях. Однако существует способ регулировать температуру объекта пассивным образом, не затрачивая для этого дополнительную энергию. По такому пути пошли инженеры под руководством Кэ Хан Цуя (Kehang Cui) из Шанхайского университета транспорта. Они разработали материал, который за счет своих излучательных свойств позволяет регулировать радиационный нагрев и охлаждение, и изготовили из него термопокрывало, которое назвали «термальный плащ Януса». Название в честь двуликого бога из римской мифологии отражает двухстороннее строение материала. Внешняя его сторона играет роль солнцезащитного инфракрасного радиатора, а внутренняя — роль широкополосного инфракрасного отражателя. Внешняя часть материала изготовлена из тонких волокон на основе диоксида кремния, которые покрыты наночастицами нитрида бора с гексагональной кристаллической решеткой. Волокна материала переплетаются вместе и образуют ткань. С обратной стороны к ней прикрепляется внутренний слой, изготовленный из алюминиевого сплава. Внешняя и внутренняя стороны материала обладают различными оптическими свойствами: сторона с тканью имеет высокий коэффициент отражения солнечного света до 96 процентов, а также высокую излучательную способность до 97 процентов в инфракрасном диапазоне, совпадающем с атмосферным инфракрасным окном с длинами волн от 7 до 14 микрометров, в то время как фольга из алюминиевого сплава, расположенная с обратной стороны, обладает высокой отражательной способностью со значением около 93 процентов и не имеет потерь во всем инфракрасном диапазоне (5-16,7 мкм). Это позволяет плащу отражать большую часть падающего солнечного излучения и при этом остывать за счет излучения фотонов в инфракрасном диапазоне. В то же время с внутренней стороны происходит рециркуляция фотонов, излученных объектом — они отражаются от материала. Для оценки эффективности термального плаща исследователи провели испытания с использованием двух электрокаров, припаркованных на открытом воздухе в типичных погодных условиях в Шанхае. Один из автомобилей был укрыт термочехлом. В то время как температура салона незакрытого автомобиля достигала 51 градуса Цельсия в полдень, температура салона автомобиля, укрытого чехлом, была на 27,7 градуса ниже. И на 7,8 градуса ниже значения температуры на улице. Температура батарейного блока автомобиля без чехла соответствовала температуре окружающей среды, в то время как температура батареи электромобиля, укрытого материалом, была на 8 градусов ниже дневной температуры. В зимнюю ночь, когда уличная температура опускалась ниже нулевой отметки, термочехол помогал удерживать температуру батарейного блока на 6,8 градуса Цельсия выше, чем снаружи. Инженеры отмечают, что материал термопокрывала разработан таким, чтобы его можно было масштабировать в производстве. Для этого им пришлось пойти на некоторые компромиссы. Например, использование более тонких волокон кремния повысило бы солнечную отражательную способность, но они были бы менее прочными и не могли бы быть изготовлены с использованием промышленных технологий, уже существующих на рынке. Кроме того, используемые материалы, включая алюминий, кремний и нитрид бора, являются недорогими, что делает плащ легким, прочным и огнестойким. Он может использоваться не только для изготовления автомобильных чехлов, но и, например, в качестве материала для покрытия зданий и даже космических аппаратов. Ткани на основе материалов с разными излучательными свойствами могут использоваться и для создания одежды. Например, недавно мы рассказывали о бельгийских физиках, которые спроектировали ткань, одежда из которой может быть теплой или очень легкой в зависимости от того, какой стороной она надета. Это достигается за счет разницы между излучательными свойствами двух сторон ткани.