超轻高强隔热材料—氮化硼气凝胶

气凝胶是目前已知最轻的固体材料，它是通过化学溶液经反应形成溶胶，后凝胶化得到凝胶，最后除去其中的溶剂获得的一中充满气体、空间网状结构的多孔材料。气凝胶最突出的特性使其具有优异的保温性能，使得它在航空航天、电力冶金、精密仪器、石油化工等领域有着广泛的应用前景。

气凝胶材料性能及其应用

在硅系、碳系、金属氧化物系、金属系等各类气凝胶材料中，陶瓷气凝胶材料具有低密度、隔热性、化学稳定性，和可在腐蚀性环境中的高温条件下操作的性能，被广泛应用于航空航天等极端材料性能要求的领域。

典型的陶瓷气凝胶材料，如二氧化硅气凝胶，多表现为刚性和脆性，材料在断裂之前只有轻微的弹性形变，因此如何提高陶瓷气凝胶的机械性能是提高其在隔热领域应用前景的一个关键突破点。

近期，哈尔滨工业大学和加州大学洛杉矶分校的相关研究人员开发出一种新兴的氮化硼陶瓷气凝胶材料，具备超轻、高力学强度和超级隔热等三大突出特点。这种陶瓷气凝胶材料密度可低至0.1毫克/立方厘米，超弹性达到95%。并且在高温冲击条件下材料本身几乎没有强度损失，空气中的导热系数为20mW/mK，具有超低导热性，是极端条件下理想的隔热材料。

氮化硼气凝胶制备过程

研究人员在负泊松比增强石墨烯气凝胶变形特性的研究基础上，通过模板法在石墨烯气凝胶模板上原位沉积六方氮化硼（h-BN），并通过加热刻蚀模板的方法，去除石墨烯模板获得纯氮化硼气凝胶，制备的材料不但具有负泊松比（-0.25），同时由于其独特的“双壁”亚结构，结构单元间空气对流减少，具有负温度膨胀性（热膨胀系数-1.8X10-6/℃）。

氮化硼气凝胶独特的内部结构

负泊松比代表材料受拉伸时，材料在弹性范围内横向发生膨胀，而受压缩时，材料的横向反而发生收缩；负温度膨胀性代表材料受热时收缩。这两个特性都与常规材料相反，使得氮化硼气凝胶的断裂韧性和脆性优于其他材料。

氮化硼气凝胶优良的力学性能

氮化硼气凝胶的负温度膨胀性

这种氮化硼气凝胶由于双“负”特性，使得其能显著改善传统陶瓷气凝胶断裂韧性不足和脆性大的缺陷，在航空航天等极端条件下有很大的应用前景，同时也为其他气凝胶材料的设计和制备提供了新的路径。

相关文献：

1. Xiang Xu, Qiangqiang Zhang, Menglong Hao, Yu Huang, Xiangfeng Duan　et al. Double-negative-indexceramic aerogels for thermal　superinsulation. Science 2019, 363, 723-727.