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杭州高烯科技有限公司
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近日，高烯科技創(chuàng)始人兼首席科學家、浙江大學高超教授團隊在氣凝膠材料領(lǐng)域取得重大突破，相關(guān)研究成果以“Dome-celled aerogels with ultra-high-temperature superelasticity over 2273 K”為題，發(fā)表于Science（10.1126/science.adw5777）。
團隊提出一種簡便普適的氧化石墨烯基二維通道受限發(fā)泡法，首創(chuàng)新型微穹頂胞元結(jié)構(gòu)，合成出數(shù)百種高彈性氣凝膠。這些氣凝膠不僅在4.2 K至2273 K的寬溫域內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異彈性，而且具有極高的熱穩(wěn)定性和耐疲勞性，展示出在極端熱力環(huán)境下作為結(jié)構(gòu)材料的巨大應用潛力。
氣凝膠，一種輕質(zhì)多孔材料，被譽為“固態(tài)煙霧”或“凍結(jié)的藍煙”。自1931年美國Kistler開創(chuàng)溶膠-凝膠制備法以來，氣凝膠的高孔隙率、超低密度及高隔熱特性，使其成為深空探測器、超音速飛行器、核聚變裝置等熱防護理想候選材料。2021年，氣凝膠被《科學》雜志評為“改變世界的十大新材料之首”。常見工業(yè)產(chǎn)品為二氧化硅氣凝膠粉體，通過與玻璃纖維、聚合物等復合，可加工為棉氈、板材等形態(tài)，主要應用于建筑及管道保溫、新能源電池隔熱防火等領(lǐng)域。
然而，氣凝膠的發(fā)展與應用仍面臨諸多難題：一是簡便且通用的制備方法，傳統(tǒng)方法（如冷凍干燥、超臨界二氧化碳法）能耗高、效率低、尺度受限，且所制備的物質(zhì)組分有限，復雜高熵體系難以企及；二是微胞元結(jié)構(gòu)的合理構(gòu)建，解決陶瓷氣凝膠彈性差（循環(huán)壓縮應變一般低于70%）的難題；三是極端溫域下的性能突破，超輕材料在超高溫（>1600℃）環(huán)境下的高彈性壓縮仍屬“無人區(qū)”。
為此，浙江大學高分子系高超教授團隊經(jīng)過長期探索與實踐，提出一種簡便普適的氧化石墨烯基二維通道受限發(fā)泡法，首創(chuàng)新型微穹頂胞元結(jié)構(gòu)，合成出數(shù)百種高彈性氣凝膠，與西安交通大學劉益?zhèn)惤淌趫F隊合作進行了穹頂結(jié)構(gòu)力學計算模擬。
01 二維通道受限發(fā)泡法：簡便通用制備新范式
本文報道了一種普適的二維通道受限發(fā)泡制備方法。因氧化石墨烯豐富的含氧功能基團、單層原子級厚度及規(guī)?；a(chǎn)能力，優(yōu)選其作為二維通道前驅(qū)體實現(xiàn)金屬鹽離子的高效捕捉，其中氧化石墨烯基團螯合作用及二維片層阻隔效應可有效防止層間金屬離子反應過程中的脫出；經(jīng)常溫常壓發(fā)泡，形成微穹頂孔結(jié)構(gòu)，其間球形氣泡的層間成核與生長是氣凝膠內(nèi)部形成微穹頂胞元結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵；經(jīng)加熱或還原轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了金屬、氧化物、碳化物等及其與石墨烯的二維雜化氣凝膠的普適性合成。整個制備過程，不再需要冷凍干燥等傳統(tǒng)成孔辦法，簡便、高效，可連續(xù)制備多形態(tài)氣凝膠。
穹頂結(jié)構(gòu)常見于生物體和建筑工程中，以其卓越的承載能力和機械穩(wěn)定性著稱，本文首次將微穹頂結(jié)構(gòu)引入氣凝膠中。有限元分析表明，穹頂結(jié)構(gòu)不可展曲面特性會形成豐富的可恢復褶皺以存儲彈性應變能，其彈性應變能存儲能力至少是傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)和拱形結(jié)構(gòu)的10倍，是實現(xiàn)高彈性氣凝膠的理想微觀基元結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)代表了多孔材料領(lǐng)域全新的曲率設計理念，為新材料創(chuàng)制和新物理現(xiàn)象探索提供了新范式。
02 新型氣凝膠化學多樣性數(shù)據(jù)庫
本文成功合成了一系列超輕的微穹頂胞元結(jié)構(gòu)氣凝膠，涵蓋121種氧化物、38種碳化物及35種金屬體系，基于二維層間受限反應及混合熵原則，實現(xiàn)了高熵材料組分的可控設計，其組分可調(diào)至含有多達30種元素的高熵態(tài)，大大擴展了氣凝膠種類。研究深入揭示了該類超輕氣凝膠是由二維層狀晶體以微穹頂幾何胞元結(jié)構(gòu)所構(gòu)筑的一類新型材料，表現(xiàn)出超高的彈性壓縮率（99%），在傳感、催化和熱管理等方面展現(xiàn)出優(yōu)異的功能特性。
03 極端溫域高彈性突破
本文發(fā)明了一類新型烯陶氣凝膠材料，即石墨烯與陶瓷原子級別的二維雜化，揭示了烯陶氣凝膠在寬溫域范圍具有突出的力學彈性，不僅常溫下99%彈性應變20,000次循環(huán)，而且在4.2 K深冷至2273 K超高溫環(huán)境中仍保持99%彈性應變的優(yōu)異性能。突破陶瓷重結(jié)晶及碳材料石墨化失效溫度極限，石墨烯顯著抑制了二維陶瓷的高溫重結(jié)晶過程，同時二維陶瓷有效防止了石墨烯片層的超高溫滑移，回答了超輕材料的超高溫彈性問題。
04 跨溫域高效隔熱氣凝膠
本文發(fā)現(xiàn)二維微穹頂結(jié)構(gòu)的高熵氣凝膠在隔熱性能上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，主要歸因于二維各向異性熱傳輸及高熵組分晶體效應，所制備的高熵氧化物氣凝膠室溫下導熱率僅有13.4 mW/m·K（空氣為26 mW/m·K），高熵碳化物烯陶氣凝膠在1273 K時為53.4 mW/m·K，在2273 K時為171.1 mW/m·K，且在2273 K的反復熱沖擊100次維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為極端溫度環(huán)境下的熱防護提供了新的材料選擇。
該研究為氣凝膠發(fā)展構(gòu)建了廣闊的材料平臺，涵蓋從單一組分到高熵組分，從導電金屬到絕緣陶瓷，從透明、黑白到彩色等多種體系。
該工作得到了國家自然科學基金委、國家重點研發(fā)計劃、浙江省領(lǐng)雁計劃、中央高校基金等項目的支持。
高超教授團隊長期致力于石墨烯氣凝膠材料的研究，不斷改進制備方法，探索多功能應用。如，早在2013年，在《先進材料》報道了最輕固體材料——石墨烯碳氣凝膠；2020年在《科學進展》報道了一種溶劑塑化發(fā)泡方法連續(xù)化批量制備石墨烯氣凝膠。團隊十多年來一直思考如何實現(xiàn)高彈性氣凝膠材料體系的快速規(guī)?；苽?，歷經(jīng)五年完成本文研究工作。
“我們相信二維受限發(fā)泡法會打開眾多未知的多孔材料世界，其中有更多優(yōu)異性能及應用場景等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)?！?高超表示。
作為高超教授創(chuàng)立的創(chuàng)新型企業(yè)，高烯科技正致力于該項技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，面向航天航空、熱防護、環(huán)境治理等場景，加速推動石墨烯氣凝膠材料的應用落地。
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