Los materiales de superaislamiento térmico con bajas conductividades térmicas son esenciales para el aislamiento térmico y la protección en condiciones extremas. Estos materiales son especialmente necesarios en campos como la exploración del espacio profundo, la ingeniería aeroespacial, mecánica y de energía térmica, que necesitan un aislamiento y una fiabilidad excepcionales.
Los aerogeles inorgánicos han exhibido muchas características superiores, como peso ultraligero, alta deformabilidad, excelente resistencia al fuego/corrosión y baja conductividad térmica, lo que demuestra ser prometedores en aislantes térmicos.
Sin embargo, los aerogeles inorgánicos todavía se enfrentan a un equilibrio entre sus propiedades mecánicas y térmicas, lo que presenta un obstáculo clave para explorar más a fondo su funcionalidad. Aunque la mejora de las propiedades mecánicas o térmicas se ha estudiado bien en aerogeles inorgánicos, todavía faltan estrategias sinérgicas eficientes para resolver este problema típico.
En un nuevo artículo de investigación publicado en el National Science Review , investigadores del Instituto de Tecnología de Harbin y la Universidad del Sudeste presentan un diseño de múltiples nanocapas unidas químicamente y una síntesis de un aerogel de grafeno/nitruro de boro amorfo (a-BNGA) para mejorar simultáneamente las propiedades mecánicas y térmicas.
A diferencia de trabajos anteriores, la estructura de grafeno se deposita uniformemente mediante una nanocapa de a-BN en ambos lados, formando una estructura de múltiples nanocapas unidas químicamente. Se descubrió que las interfaces unidas químicamente anclan firmemente la cubierta uniforme de a-BN al esqueleto de grafeno, que actúa a través de un mecanismo similar a un tendón, asegurando una deformación sinérgica y una transferencia de carga en la estructura.
Además, la nanocapa de a-BN puede aumentar la rigidez elástica de las paredes celulares y otorga una distribución deseable del momento de flexión, logrando un efecto de endurecimiento acoplado para mejorar la resiliencia estructural.
El a-BNGA resultante presenta una densidad ultrabaja con una flexibilidad ultraalta (tensión de compresión elástica de hasta el 99%, tensión de flexión elástica de hasta el 90%) y una estabilidad térmica excepcional (casi sin degradación de la resistencia después de choques térmicos bruscos). Los investigadores demuestran la deformabilidad flexible mediante el proceso de plegado y despliegue de una flor de aerogel en la mano humana.
En particular, la nanocapa a-BN en el aerogel, que supera el 20% en volumen, es mecánicamente crucial pero térmicamente inactiva, un estado ideal para materiales de aislamiento térmico. Las contribuciones de conducción y radiación sólidas, que juntas forman la conductividad térmica aparente del material en el vacío. Beneficiándose de la escasez de vías de conducción efectivas debido a la baja densidad y la dispersión adicional de fonones por la interfaz, la conducción sólida se puede inhibir eficazmente.
Además, el grafeno se puede utilizar como absorbente de infrarrojos para reducir el transporte térmico radiativo. Los investigadores demostraron experimentalmente que este aerogel tiene una conductividad térmica en vacío récord hasta la fecha entre los materiales sólidos independientes. Además, diseñaron un modelo de base lunar que funciona en alto vacío para mostrar las capacidades de superaislamiento térmico del aerogel en aplicaciones de exploración extraterrestre.
"Logramos una combinación de propiedades mecánicas y térmicas excepcionales del aerogel inorgánico y definimos un sistema de material robusto para el superaislamiento térmico en condiciones extremas, como bases lunares y marcianas, satélites y naves espaciales", dijo el profesor Xiang Xu, "este tipo de material y el diseño estructural también puede brindar oportunidades para que los aerogeles inorgánicos otorguen otras funciones únicas".
Más información: Hongxuan Yu et al, Aerogel inorgánico de nanocapas múltiples unidas químicamente con una conductividad térmica récord en el vacío, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad129
Proporcionado por Science China Press
