第一作者：Xiang Xu, Qiangqiang Zhang, Menglong Hao,

通讯作者：段镶锋、黄昱、Hui Li

通讯单位：加州大学洛杉矶分校、哈尔滨工业大学

研究亮点：

1. 发展了一种具有双曲结构的三维陶瓷气凝胶，同时具有负的热膨胀系数和负的泊松比。

2. 陶瓷气凝胶具备超轻、高力学强度和超级隔热三大优势。

极端环境对新材料的迫切需求

在极端环境中，譬如需要再高温和反应气氛中操作的航空航天领域，材料必须同时具备超轻，高力学强度和绝热三大特点。实现这些种完全不同的功能需要对材料本身进行合理设计，通过多尺度多级次结构设计，以实时响应极端环境因素。

陶瓷气凝胶在极端环境中的应用

气凝胶是一种固体物质形态的混合物或复合物，是世界上密度最小的固体。气凝胶是由空气或自由空间与陶瓷，金属，颗粒，粉末或碳固体介质组成，其中空气或自由空间的比例> 99％。 因此，气凝胶可以非常轻。

其中，陶瓷气凝胶具有许多优异的性能，例如低密度，优异的隔热性和化学稳定性，可在腐蚀性环境中的高温条件下操作。因此，陶瓷气凝胶已经被广泛应用于航空航天等极端材料性能要求领域。

陶瓷气凝胶亟待解决的关键问题

典型的陶瓷材料如二氧化硅，氧化铝和碳化硅的气凝胶非常脆，在应力下，特别是在高温或突然的热冲击下易碎。用于减轻陶瓷气凝胶脆性的常规策略又经常导致其他性能的降低，例如导热性的增加。

通过非常规策略的多尺度多级次结构设计，可以获得既具有负泊松比（使其在拉伸时沿法线方向膨胀），又具有负热膨胀系数（使其在加热时收缩）的双负指数材料，从而提高断裂韧性并减轻陶瓷的脆性。

然而，由于加工限制，制造具有分层结构的块状三维陶瓷超材料气凝胶依然困难重重！

成果简介

有鉴于此，加州大学洛杉矶分校段镶锋、黄昱团队和哈尔滨工业大学Hui Li团队合作，报道了一种具有双曲结构的三维hBN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。

图1. 设计与制备过程

要点1：制备策略

研究人员首先使用先前报道的技术制造石墨烯气凝胶，用作牺牲模板，在其上生长hBN层。 因为hBN具有高度抗氧化性并且在空气中的热稳定性优于石墨烯，所以石墨烯模板可以通过氧化的方法很容易除去以留下纯hBN气凝胶。最终，研究人员得到hBN（2D陶瓷）原子薄壁双曲气凝胶，其中相互连接的有晶格缺陷的原子级超薄平面形成蜂窝网络。，

图2. 材料表征

要点2：设计原理

一方面，从2D材料获得的气凝胶具有2D纳米片的面对面堆叠，使得气凝胶的胞壁由最小厚度的材料组成，具有极高的机械强度。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热导率。

图3. 力学性能

图4. 热学性能

要点3：优异性能

这种气凝胶具有负泊松比（-0.25）和负的线性热膨胀系数（-1.8X10^-6 per ℃），以下优点将使之在极端条件下极具应用前景，譬如太空飞行器的隔热罩等极端应用：

1. 超轻：密度接近0.1 mg cm^-3。:2

2. 超低导热性：真空和空气中的热导分别约为2.4 mW/m K和20 mW/m K。

3. 超高力学性能：高达95％的超高弹性变形，具有数百次循环的抗热冲击性，在275℃/s热冲击或1400℃强烈热应力下强度损失几乎为零。

总之，这项研究为超轻质材料在各种极端环境中的力学和热性能的合理设计开辟了新的路径。

参考文献：

1.Xiang Xu, Qiangqiang Zhang, Menglong Hao, Yu Huang, Xiangfeng Duan et al. Double-negative-indexceramic aerogels for thermal superinsulation. Science 2019, 363, 723-727.

http://science.sciencemag.org/content/363/6428/723

2.Manish Chhowalla, Deep Jariwala. Hyperbolic 3D architectures with 2D ceramics. Science2019, 363, 694-695.

http://science.sciencemag.org/content/363/6428/694