I materiali superisolanti termici con bassa conduttività termica sono essenziali per l'isolamento termico e la protezione in condizioni estreme. Questi materiali sono particolarmente richiesti in campi quali l'esplorazione dello spazio profondo, l'ingegneria aerospaziale, meccanica e termica, che necessitano di isolamento e affidabilità eccezionali.
Gli aerogel inorganici hanno mostrato molte caratteristiche superiori come peso ultraleggero, elevata deformabilità, eccellente resistenza al fuoco/corrosione e bassa conduttività termica, dimostrandosi promettenti negli isolanti termici.
Tuttavia, gli aerogel inorganici sono ancora afflitti da un compromesso tra le loro proprietà meccaniche e termiche, il che rappresenta un ostacolo fondamentale per esplorare ulteriormente la loro funzionalità. Sebbene il miglioramento delle proprietà meccaniche o termiche sia stato ben studiato negli aerogel inorganici, mancano ancora strategie sinergiche efficienti per risolvere questo tipico compromesso.
In un nuovo articolo di ricerca pubblicato sulla National Science Review , i ricercatori dell'Harbin Institute of Technology e della Southeast University presentano un design multi-nanostrato legato chimicamente e la sintesi di un aerogel di grafene/nitruro di boro amorfo (a-BNGA) per migliorare contemporaneamente le proprietà meccaniche e termiche.
A differenza dei lavori precedenti, la struttura del grafene è depositata uniformemente da un nanostrato a-BN su entrambi i lati, formando una struttura multi-nanostrato legata chimicamente. Si è scoperto che le interfacce legate chimicamente ancorano saldamente la giacca a-BN uniforme allo scheletro di grafene, che agisce tramite un meccanismo simile a un tendine, garantendo una deformazione sinergica e un trasferimento del carico nella struttura.
Inoltre, il nanostrato di a-BN può aumentare la rigidità elastica delle pareti cellulari conferendo una distribuzione desiderabile del momento flettente, realizzando un effetto di indurimento accoppiato per migliorare la resilienza strutturale.
L'a-BNGA risultante presenta una densità ultrabassa con flessibilità ultraelevata (deformazione elastica di compressione fino al 99%, deformazione elastica di flessione fino al 90%) ed eccezionale stabilità termica (quasi nessuna degradazione della resistenza dopo forti shock termici). I ricercatori dimostrano la deformabilità flessibile mediante il processo di piegatura e apertura di un fiore di aerogel nella mano umana.
In particolare, il nanostrato di a-BN nell’aerogel, che supera il 20% in volume, è cruciale dal punto di vista meccanico ma termicamente inattivo, uno stato ideale per i materiali di isolamento termico. I contributi solidi di conduzione e radiazione, che insieme costituiscono la conduttività termica apparente del materiale nel vuoto. Traendo vantaggio dalla scarsità di percorsi di conduzione efficaci grazie alla bassa densità e dall'ulteriore diffusione dei fononi tramite l'interfaccia, la conduzione solida può essere efficacemente inibita.
Inoltre, il grafene può essere utilizzato come assorbitore di infrarossi per ridurre il trasporto termico radiativo. I ricercatori hanno dimostrato sperimentalmente che questo aerogel ha una conduttività termica nel vuoto record tra i materiali solidi indipendenti fino ad oggi. Inoltre, hanno progettato un modello di base lunare che funziona in alto vuoto per mostrare le capacità di superisolamento termico dell'aerogel nelle applicazioni di esplorazione extraterrestre.
"Otteniamo una combinazione di eccezionali proprietà meccaniche e termiche dell'aerogel inorganico e definiamo un robusto sistema di materiali per il superisolamento termico in condizioni estreme, come basi lunari e marziane, satelliti e veicoli spaziali", ha affermato il Prof. Xiang Xu, "Questo tipo di materiale e la progettazione strutturale può anche fornire opportunità agli aerogel inorganici di dotare altre funzioni uniche."
Ulteriori informazioni: Hongxuan Yu et al, Aerogel inorganico multi-nanostrato legato chimicamente con una conduttività termica record nel vuoto, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad129
Fornito da Science China Press
