兰州大学土木工程与力学学院青年教授张强强合作完成的研究工作在Science 发表

日期: 2019-02-21 阅读: 来源: 关键词:

2月15日,《Science》在线发表了“具备超级隔热性能的陶瓷气凝胶”的文章“Double-negative-indexceramic aerogels for thermal superinsulation”。该研究成果由兰州大学土木工程与力学学院青年教授张强强与哈尔滨工业大学、加州大学洛杉矶分校和伯克利分校等几家单位学者历时两年多合作完成。其中,哈尔滨工业大学徐翔、兰州大学张强强、加州大学伯克利分校郝梦龙三人为论文共同第一作者,哈尔滨工业大学李惠教授和加州大学洛杉矶分校黄昱教授、段镶锋教授三人为共同通讯作者。该研究成果同期被剑桥大学Manish Chhowalla教授和宾夕法尼亚大学大学Deep Jariwala教授在《Science》上以Perspective撰文“Hyperbolic 3D architectures with 2D ceramics”给予高度评述。

众所周知,陶瓷气凝胶以其低密度、低热导率和良好的耐火、耐腐蚀特性而被认为是理想的隔热材料。然而,质脆以及晶化诱导的粉碎行为使得陶瓷气凝胶常常在显著的温度梯度变化或者长期的高温暴露中表现出严重的强度退化甚至结构崩塌的现象。鉴于极端条件下的隔热要求,相应的材料具备异常优异的稳定性,因此同时具备强大的机械和热学稳定性就成为陶瓷气凝胶在隔热领域进一步发展应用的主要障碍。文章“Double-negative-indexceramic aerogels for thermal superinsulation”报道了一种具有双曲结构的三维hBN以及βSiCAGs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。

研究团队利用多尺度结构化设计和三维石墨烯气凝胶模板化制备合成了同时具有强大的机械和热学稳定性的氮化硼(hBNAGs)以及碳化硅(βSiCAGs)陶瓷气凝胶材料。这类陶瓷材料由纳米层状双窗格壁组成,整体呈现出超低密度的双曲线构造形态。而这一特殊结构赋予材料负泊松比(-0.25)以及负线性热膨胀系数(-1.8×10-6/K),致使材料维持热稳定性的同时依然能表现出优异的可变形性和断裂韧性。在剧烈的热振测试(大约275℃/s)以及长期高温暴露过程中,这类材料表现出优异的热稳定性以及几乎为零的强度损失。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超低的热导率(在真空中约为2.4 mW/m·K,在空气中约为20 mW/m·K)。剑桥大学Manish Chhowalla教授和宾夕法尼亚大学大学Deep Jariwala教授评述认为基于上述新型陶瓷气凝胶可以设计理想的超级隔热系统并在航天器等领域有所应用。这项研究为超轻质材料在各种极端环境中的热-力性能一体化的结构化合理设计与可控制备开辟了新的路径。该研究得到2018年甘肃省杰出青年科学基金资助,并对研究过程中我校电镜中心在材料高性能表征方面给予的支持表示感谢!

参考文献:

1.Xiang Xu#, Qiangqiang Zhang#, Menglong Hao#, et al. Double-negative-indexceramic aerogels for thermal superinsulation. Science 2019, 363, 723-727.
2.Manish Chhowalla, Deep Jariwala. Hyperbolic 3D architectures with 2D ceramics. Science2019, 363, 694-695.

新闻背景:

张强强博士毕业于哈尔滨工业大学,2016年通过人才引进到兰州大学土木工程与力学学院工作,2018年评为青年教授,现任土木工程专业系主任,主要研究方向为气凝胶多孔材料结构-功能一体化设计与多尺度可控制备,已发表SCI论文24篇,其中Science、AdvancedMaterials、ACS Nano等一区TOP期刊文章12篇,Googlescholar引用740余次,ESI前1%高被引论文2篇,研究成果在Science、Nature Materials Reviews等期刊上被评论或亮点报道。曾在学校微党课比赛中获奖。目前主持国家自然科学基金、甘肃省杰出青年科学基金、2018年度博士后创新人才支持计划等基金项目7项。

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文:王水存
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编辑:郑丽婷

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