Создан сверхлегкий керамический материал, который выдерживает экстремальные температуры

Ученые создали чрезвычайно легкий, очень прочный керамический аэрогель. Материал может быть использован для таких применений, как изоляция космического корабля, потому что он может противостоять сильной жаре и серьезным изменениям температуры, которые испытывают космические миссии.

Керамические аэрогели используются для изоляции промышленного оборудования с 1990-х годов, и они применяются для изоляции научного оборудования в миссиях НАСА на марсоходах. Но новая версия намного более долговечна после воздействия высокой температуры и ее многократных скачков, и кроме того, намного легче. Его уникальный атомный состав и микроскопическая структура также делают его необычайно эластичным.

Когда аэрогель нагревается, материал сжимается, а не расширяется, как это делает другая керамика. Он также сжимается перпендикулярно направлению сжатия — представьте, что вы нажимаете на теннисный мяч на столе, и центр шара перемещается внутрь, а не расширяется, — противоположно тому, как реагирует большинство материалов при сжатии.

В результате материал получился гораздо более гибкий и менее хрупкий, чем современные керамические аэрогели: он может быть сжат до 5 процентов от его первоначального объема и полностью восстановлен, в то время как другие существующие аэрогели могут быть сжаты только до примерно 20 процентов, чтобы затем полностью восстановиться.

Несмотря на то, что более 99 процентов их объема составляют воздух, аэрогели прочные и очень легкие. Они могут быть изготовлены из многих типов материалов, включая керамику, оксиды углерода или металла. По сравнению с другими изоляторами керамические аэрогели превосходно блокируют экстремальные температуры, имеют сверхнизкую плотность и обладают высокой устойчивостью к огню и коррозии — все качества, которые хорошо подходят для космических кораблей многоразового использования.

Новый материал сделан из тонких слоев нитрида бора, керамики, с атомами, которые соединены в шестиугольные узоры, как проволочная сетка.

В исследовании, проводимом UCLA, он выдержал условия, которые обычно разрушали бы другие аэрогели. Материал выдержал сотни воздействий внезапных и экстремальных скачков температуры, когда инженеры поднимали и понижали температуру в испытательном контейнере от минус 198 градусов по Цельсию до 900 градусов выше нуля всего за несколько секунд.

В другом тесте он потерял менее 1 процента своей механической прочности после хранения в течение одной недели при температуре 1400 градусов Цельсия.

«Ключом к долговечности нашего нового керамического аэрогеля является его уникальная архитектура», — говорят исследователи. «Его врожденная гибкость помогает ему выдерживать воздействие от экстремальных тепловых и температурных ударов, которые могут привести к выходу из строя других керамических аэрогелей».

Обычные керамические материалы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Со временем эти повторяющиеся изменения температуры могут привести к разрушению этих материалов и в конечном итоге к выходу из строя. Новый аэрогель был спроектирован так, чтобы быть более долговечным, делая все наоборот: он сжимается, а не расширяется при нагревании.

Кроме того, способность аэрогеля сжиматься перпендикулярно направлению его сжатия — помогает ему выдерживать многократные и быстрые изменения температуры. (Это свойство известно как отрицательное отношение Пуассона.) У него также есть внутренние «стены», которые усилены двухпанельной структурой, которая сокращает вес материала, увеличивая при этом его изолирующие способности.

Исследователи сделали так, чтобы новый аэрогель также можно было адаптировать для изготовления других сверхлегких материалов.

X. Xu el al., «Double-negative-index ceramic aerogels for thermal superinsulation,» Science (2019). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aav7304