Science！焦耳加熱裝置助力浙江大學(xué)團隊研發(fā)超高溫下仍具超彈性氣凝膠！

DOI: 10.1126/science.adw5777

本文使用的焦耳加熱裝置由合肥原位科技有限公司研發(fā)，感謝老師支持與認(rèn)可！

焦耳加熱裝置：

焦耳加熱裝置是一種新型快速熱處理/合成的設(shè)備，該設(shè)備可使材料在（毫秒級/秒級）時間內(nèi)達(dá)到溫度（1000~3000℃），升溫速率可達(dá)到10000k/s；通過對材料的快速升溫，可考察材料在J端環(huán)境、劇烈熱震情況下的物性改變，可通過快速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。目前廣泛應(yīng)用在電池材料、催化劑、碳材料、陶瓷材料、金屬材料、塑料降解、生物質(zhì)等領(lǐng)域。

全文概述

浙江大學(xué)團隊在Science發(fā)表重磅研究，提出二維通道限制化學(xué)法，成功制備出194種穹頂胞狀超輕氣凝膠，涵蓋121種氧化物、38種碳化物和35種金屬，部分可實現(xiàn)含30種元素的高熵態(tài)。這類氣凝膠突破傳統(tǒng)氣凝膠局限，具備從4.2K（液氦溫區(qū)）到2273K（超高溫）的超寬溫域超彈性，99% 應(yīng)變下可循環(huán)2萬次且殘余應(yīng)變＜3%，2273K 熱沖擊100次仍穩(wěn)定。其中高熵碳化物氣凝膠1273K和2273K時熱導(dǎo)率分別低至53.4mW?m?1?K?1和 171.1mW?m?1?K?1，同時可制成大面積板材（約50×20×0.5cm3）和連續(xù)卷材（＞2m），為J端熱機械領(lǐng)域（如高溫隔熱、深空探測）提供全新材料解決方案。

文章亮點

（1）J端溫度彈性：在液氦（4.2 K）至2273 K范圍內(nèi)保持超彈性；

（2）高循環(huán)穩(wěn)定性：99%應(yīng)變下2萬次壓縮后仍能恢復(fù)；

（3）化學(xué)多樣性：涵蓋121種氧化物、38種碳化物、35種金屬，支持高熵設(shè)計；

（4）超低熱導(dǎo)率：高熵碳化物氣凝膠在2273 K時熱導(dǎo)率僅171.1 mW·m?1·K?1；

（5）結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：穹頂胞元結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的能量吸收和恢復(fù)能力。

圖文解析

圖1：制備流程與結(jié)構(gòu)表征

圖（A）制備流程清晰展示三步核心工藝，第一步“離子捕獲”，利用 GO 層間通道（0.97-2.14nm）的螯合作用與二維屏障效應(yīng)，捕獲單種或多達(dá)30種鹽離子，形成原子級均勻的GO-離子雜化物；第二步“鼓泡”，發(fā)泡劑分解產(chǎn)生的氣體在GO層間形成穹頂狀胞體，通過調(diào)控鼓泡時間可將胞體平均曲率（Ka）調(diào)至0.045-0.122μm?1；第三步“熱轉(zhuǎn)化”，分別在空氣 600℃（4h）、氬氣 2000℃（2h）、氫氣 450℃（1h）條件下，將雜化物轉(zhuǎn)化為氧化物、碳化物、金屬氣凝膠，且全程保留穹頂結(jié)構(gòu)。圖（B-C）實物照片分別呈現(xiàn)制備的碳化物氣凝膠板材和氧化物氣凝膠卷材，直觀證明材料可實現(xiàn)宏觀尺度制備，板材尺寸達(dá)約 50×20×0.5cm3，卷材長度超2m，打破傳統(tǒng)氣凝膠難以規(guī)?；a(chǎn)的瓶頸，凸顯實用價值。圖（D）3D光學(xué)圖展示超薄GO薄膜（~500nm厚）鼓泡形成的穹頂胞體模型，可見穹頂頂點具有兩個正交正高斯曲率，邊緣呈鞍形結(jié)構(gòu)，這種非歐幾里得曲率是穹頂結(jié)構(gòu)高承載、高彈性的核心幾何基礎(chǔ)。圖（E-F）SEM 切片圖結(jié)果顯示，通過X-Z、Y-Z（垂直面）和X-Y（水平面）三個方向的SEM切片，證實氣凝膠在宏觀尺度下胞體均為穹頂形態(tài)，尺寸從幾十到幾百微米不等；納米CT逐層掃描進(jìn)一步顯示，穹頂胞體在毫米尺度內(nèi)均勻互聯(lián)，無縫接觸的結(jié)構(gòu)確保了材料宏觀彈性與結(jié)構(gòu)完整性。

圖2：穹頂胞狀氣凝膠的化學(xué)多樣性及多尺度結(jié)構(gòu)

圖（A）元素概覽表系統(tǒng)梳理氣凝膠庫的元素構(gòu)成，氧化物涵蓋 Mg、Al、Si 等24種元素，碳化物包含Ti、Cr、Zr 等12種元素，金屬涉及Fe、Co、Ni 等12種元素，且可組合成一元、二元、三元及高熵體系（如含10種元素的AlTiCrCuZnNdSmDyHfTa氧化物），直觀體現(xiàn)材料化學(xué)多樣性，為功能定制提供廣闊空間。圖（B-E）典型氣凝膠表征結(jié)果顯示，以一元氧化鋁（Al?O?）、碳化鉭（TaC）、銅（Cu）及高熵氧化物氣凝膠為例，左側(cè)光學(xué)照片顯示材料可輕松漂浮在花蕾上，印證其超輕特性；中間SEM圖像清晰呈現(xiàn)穹頂胞狀結(jié)構(gòu)，胞壁厚度＜10nm，且由納米級晶?；ヂ?lián)構(gòu)成；右側(cè)AC-TEM（像差校正透射電鏡）和HAADF（高角環(huán)形暗場）原子映射圖，證實高熵氣凝膠中30種元素實現(xiàn)原子級均勻混合，解決多元素體系易偏析的難題，為高熵材料性能優(yōu)化提供結(jié)構(gòu)支撐。

圖 3：穹頂胞狀氣凝膠的力學(xué)性能

圖（A）為室溫循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線：展示含30% 石墨烯的氧化物、碳化物、金屬氣凝膠堆疊體，在298K（室溫）下99%應(yīng)變循環(huán)2萬次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。曲線顯示，第1次、第200次、第20000次循環(huán)的應(yīng)力平臺幾乎重合，殘余應(yīng)變＜3%，應(yīng)力衰減＜20%，證明材料具備zhuoyue的室溫抗疲勞性能；密度0.35-1.24mg?cm3 的超輕氧化物氣凝膠（如Y?O?、InSn氧化物）在80%應(yīng)變下循環(huán)1萬次，應(yīng)變衰減＜8%，進(jìn)一步凸顯其力學(xué)穩(wěn)定性。圖（B）原位SEM壓縮觀察記錄穹頂胞體在壓縮過程中的變形行為，低應(yīng)變時胞體整體形變，高應(yīng)變（80%）時胞壁產(chǎn)生大量細(xì)密褶皺——這種“不可展表面”Te有的褶皺效應(yīng)，可有效儲存彈性應(yīng)變能，避免胞壁間平滑緊密接觸導(dǎo)致的塑性變形，從微觀層面解釋了材料高彈性的起源；對比傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)氣凝膠（胞壁縱向形變后緊密接觸，彈性恢復(fù)差），凸顯穹頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)勢。圖（C）彈性-密度關(guān)系圖顯示，將該氣凝膠與已報道氣凝膠的“最大可恢復(fù)應(yīng)變-表觀密度”數(shù)據(jù)對比，結(jié)果顯示，該氣凝膠在密度低至0.35mg?cm3時，仍能實現(xiàn)99%的最大可恢復(fù)應(yīng)變，顯著突破傳統(tǒng)氣凝膠低密度與高彈性不可兼得的限制，刷新氣凝膠力學(xué)性能邊界。圖（D-E）J端溫度循環(huán)曲線結(jié)果顯示，圖（D）為碳化物氣凝膠堆疊體在4.2K（液氦環(huán)境）下99%應(yīng)變循環(huán)100次的曲線，兩次循環(huán)曲線重合，無高度損失；圖（E）為同一堆疊體在2273K下99%應(yīng)變循環(huán)100次的曲線，同樣保持優(yōu)異恢復(fù)性，證明材料在極低溫到超高溫的全溫域內(nèi)均穩(wěn)定保持超彈性，解決石墨烯氣凝膠 2273K下因軟化失效的問題。圖（F）火焰中循環(huán)曲線展示碳化物氣凝膠在雙側(cè)丁烷噴燈火焰（超1573K）中，99%應(yīng)變循環(huán)100次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，曲線重合度高，插圖照片顯示材料在火焰中無明顯燒蝕或坍塌，證實其兼具超彈性與抗燒蝕性能，為高溫J端環(huán)境應(yīng)用（如航空發(fā)動機隔熱）提供可能。

圖4：碳化物氣凝膠的超高溫隔熱性能

圖（A）為寬溫域熱導(dǎo)率，測定碳化鉭（TaC）和高熵（ZrTaNbTiHf）C氣凝膠在173-2273K的熱導(dǎo)率，結(jié)果顯示，高熵碳化物氣凝膠熱導(dǎo)率隨溫度升高緩慢增長，1273K時低至53.4mW?m?1?K?1，2273K時僅171.1mW?m?1?K?1，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)陶瓷氣凝膠；其低熱導(dǎo)源于三方面：超低密度與納米晶界抑制固體傳熱、30nm納米孔限制氣體傳熱、二維胞壁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的各向異性阻礙橫向傳熱。圖（B）力學(xué)循環(huán)后熱導(dǎo)率記錄TaC和高熵碳化物氣凝膠在室溫下99%應(yīng)變循環(huán)1萬次的熱導(dǎo)率變化，循環(huán)前后熱導(dǎo)率幾乎無波動，證明材料經(jīng)長期力學(xué)疲勞后，隔熱性能仍穩(wěn)定，圖（C）測試 TaC氣凝膠在2273K下100次熱沖擊（1773K以下500K/s，1773-2273K為100K/s）后的熱導(dǎo)率，結(jié)果顯示熱導(dǎo)率無明顯變化，SEM和元素映射圖證實材料結(jié)構(gòu)與成分均保持完整，說明其具備優(yōu)異的抗熱震性能，可適應(yīng)J端溫度波動環(huán)境。圖（D）隔熱演示照片展示8mm厚TaC氣凝膠板保護(hù)新鮮玫瑰抵御丁烷噴燈火焰（超1573K）5分鐘的實驗，左側(cè)照片顯示火焰直接灼燒氣凝膠板背面，玫瑰完好無損；右側(cè)熱成像圖顯示氣凝膠板背面溫度遠(yuǎn)低于玫瑰耐受溫度，直觀驗證材料的高效隔熱能力。圖（E）工作溫度-室溫?zé)釋?dǎo)率對比顯示，將該碳化物氣凝膠與傳統(tǒng)隔熱材料（如氧化鋯氣凝膠、碳化硅、石棉、聚合物泡沫等）的“最高工作溫度-室溫?zé)釋?dǎo)率”對比，結(jié)果顯示，該氣凝膠在室溫?zé)釋?dǎo)率（20mW?m?1?K?1）遠(yuǎn)低于多數(shù)材料的同時，最高工作溫度（2273K）遠(yuǎn)超現(xiàn)有陶瓷氣凝膠，實現(xiàn)“低導(dǎo)熱”與“高耐溫”的協(xié)同。圖（F）為高溫?zé)釋?dǎo)率對比結(jié)果，對比該碳化物氣凝膠與已報道典型陶瓷材料在1273K和2273K的熱導(dǎo)率，可見該氣凝膠在1273K時熱導(dǎo)率＜60mW?m?1?K?1，2273K時＜180mW?m?1?K?1，顯著低于傳統(tǒng)高溫陶瓷（如碳化硼、氧化鋯），證實其在超高溫環(huán)境下的隔熱性能優(yōu)勢。

總結(jié)與展望

本研究通過二維通道限域化學(xué)策略成功構(gòu)建了具有穹頂胞元結(jié)構(gòu)的超輕氣凝膠家族，實現(xiàn)了J端溫度下的超彈性和超低熱導(dǎo)率，突破了傳統(tǒng)氣凝膠在高溫下的力學(xué)和熱學(xué)瓶頸。該材料在航天熱防護(hù)、深空探測、高溫工業(yè)隔熱等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。未來可進(jìn)一步探索其多功能集成（如光電、磁學(xué)性能），推動其在更復(fù)雜J端環(huán)境中的應(yīng)用。