Новый изоляционный материал: практически невесомый и чрезвычайно прочный
Экстремальная изоляция
Новый изоляционный материал состоит не менее чем на 99 % из воздуха, но выдерживает экстремальные температуры, способные разрушить другие материалы.
Пористый аэрогель не менее чем на 99 % состоит из воздуха, в то время как остальная его часть представлена атомарно тонким керамическим материалом, известным как гексагональный нитрид бора. Как сообщается в журнале Science от 15 февраля этого года, данный материал оказался чрезвычайно прочным в условиях высоких температур и скоростного термоциклирования с амплитудой более 1000 °С.
«Крайне сложно создать материал, имеющий не только малый вес, но и высокую жаропрочность», — пояснил Дип Яривала, инженер из Университета Пенсильвании, соавтор комментария к исследованию, опубликованному в том же номере Science. Новый сверхлегкий изоляционный материал может особенно хорошо подойти для элементов теплозащиты космических аппаратов, которые должны выдерживать экстремальные перепады температуры при повороте к Солнцу или от него или при прохождении плотных слоев атмосферы Земли.
Эффективная теплозащита
Исследователи поместили свежий цветок на кусок нового изоляционного материала толщиной 2 см, установленный над источником пламени (см. фотографию слева и тепловую карту справа). Через 15 минут температура на верхней поверхности аэрогеля составляла всего лишь 45 °C, а цветок лишь немного увял.
Аэрогель представляет собой структуру, состоящую из множества крошечных воздушных ячеек, каждая из которых отделена от соседней двумя атомарно тонкими слоями гексагонального нитрида бора. Подобно тому, как окна с двойным стеклопакетом предотвращают потери тепла в зимние месяцы, двойная керамическая стенка затрудняет передачу тепла от одной воздушной ячейки к другой. «Тепло также слабо распространяется по материалу вдоль стенок из гексагонального нитрида бора, потому что строение материала значительно увеличивает и усложняет путь, который теплу приходится преодолевать», — объясняет соавтор исследования Сянфэн Дуань, химик и материаловед из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
В то время как другие керамические аэрогели могут разрушаться при внезапных перепадах температуры или длительном воздействии тепла, новый аэрогель выдержал 500 циклов быстрого нагрева и охлаждения от −198 °С до 900 °С, а также выдержал воздействие 1400 °С в течение целой недели. Изоляционный материал также успешно защитил цветок, который установили над пламенем температурой примерно 500 °C.
«Поскольку структура материала настолько разрежена, он, вероятно, не может применяться сам по себе, — полагает не участвовавшая в исследовании Джулия Грир, специалист по материалам в Калифорнийском технологическом институте. — Аэрогель эластичен в том смысле, что он мягок и легко сминается. Чтобы защитить аэрогель от деформирования, его, вероятно, необходимо будет поместить в оболочку из более прочного материала».
Перевод с английского. Оригинал статьи Science News Magazine (https://www.sciencenews.org/article/new-insulation-material-weightless-durable-extreme-heat)