段镶锋/黄昱携手哈工大Science：超级气凝胶隔热材料！

      ^环境对新材料的迫切需求

      在^环境中，譬如需要再高温和反应气氛中操作的航空航天领域，材料必须同时具备超轻，高力学强度和绝热三大特点。实现这些种完全不同的功能需要对材料本身进行合理设计，通过多尺度多级次结构设计，以实时响应^环境因素。

      陶瓷气凝胶在^环境中的应用

      气凝胶是一种固体物质形态的混合物或复合物，是^上密度最小的固体。气凝胶是由空气或自由空间与陶瓷，金属，颗粒，粉末或碳固体介质组成，其中空气或自由空间的比例> 99％。 因此，气凝胶可以非常轻。

      其中，陶瓷气凝胶具有许多优异的性能，例如低密度，优异的隔热性和化学稳定性，可在腐蚀性环境中的高温条件下操作。因此，陶瓷气凝胶已经被广泛应用于航空航天等^材料性能要求领域。

      陶瓷气凝胶亟待解决的关键问题

      典型的陶瓷材料如二氧化硅，氧化铝和碳化硅的气凝胶非常脆，在应力下，特别是在高温或突然的热冲击下易碎。用于减轻陶瓷气凝胶脆性的常规策略又经常导致其他性能的降低，例如导热性的增加。

      通过非常规策略的多尺度多级次结构设计，可以获得既具有负泊松比（使其在拉伸时沿法线方向膨胀），又具有负热膨胀系数（使其在加热时收缩）的双负指数材料，从而提高断裂韧性并减轻陶瓷的脆性。

      然而，由于加工限制，制造具有分层结构的块状三维陶瓷超材料气凝胶依然困难重重！
   
      成果简介

      有鉴于此，加州大学洛杉矶分校段镶锋、黄昱团队和哈尔滨工业大学Hui Li团队合作，报道了一种具有双曲结构的三维hBN陶瓷气凝胶，同时具有负的热膨胀系数和负的泊松比，具备超轻、高力学强度和超级隔热三大特点。

      要点1：制备策略

      研究人员首先使用先前报道的技术制造石墨烯气凝胶，用作牺牲模板，在其上生长hBN层。 因为hBN具有高度抗氧化性并且在空气中的热稳定性优于石墨烯，所以石墨烯模板可以通过氧化的方法很容易除去以留下纯hBN气凝胶。最终，研究人员得到hBN（2D陶瓷）原子薄壁双曲气凝胶，其中相互连接的有晶格缺陷的原子级超薄平面形成蜂窝网络。，

      要点2：设计原理

      一方面，从2D材料获得的气凝胶具有2D纳米片的面对面堆叠，使得气凝胶的胞壁由最小厚度的材料组成，具有极高的机械强度。另一方面，从2D纳米片获得的3D分层结构将气凝胶分成微小的单元，使得它们之间的空气对流减少，从而能够实现低于空气的热导率。

      要点3：优异性能

      这种气凝胶具有负泊松比（-0.25）和负的线性热膨胀系数（-1.8X10-6 per ℃），以下优点将使之在^条件下^应用前景，譬如太空飞行器的隔热罩等^应用：

      1. 超轻：密度接近0.1 mg cm-3。:2

      2. 超低导热性：真空和空气中的热导分别约为2.4 mW/m K和20 mW/m K。

      3. 超高力学性能：高达95％的超高弹性变形，具有数百次循环的抗热冲击性，在275℃/s热冲击或1400℃强烈热应力下强度损失几乎为零。

      总之，这项研究为超轻质材料在各种^环境中的力学和热性能的合理设计开辟了新的路径。