Les matériaux de superisolation thermique à faible conductivité thermique sont essentiels pour l'isolation thermique et la protection dans des conditions extrêmes. Ces matériaux sont particulièrement requis dans des domaines tels que l'exploration de l'espace lointain, l'aérospatiale, l'ingénierie mécanique et thermique, qui nécessitent une isolation et une fiabilité exceptionnelles.
Les aérogels inorganiques ont présenté de nombreuses caractéristiques supérieures telles qu'un poids ultraléger, une déformabilité élevée, une excellente résistance au feu/à la corrosion et une faible conductivité thermique, ce qui s'avère prometteur dans le domaine des isolants thermiques.
Cependant, les aérogels inorganiques sont toujours confrontés à un compromis entre leurs propriétés mécaniques et thermiques, ce qui constitue un obstacle majeur à l’exploration plus approfondie de leur fonctionnalité. Bien que l'amélioration des propriétés mécaniques ou thermiques ait été bien étudiée dans les aérogels inorganiques, il manque encore des stratégies synergiques efficaces pour résoudre ce compromis typique.
Dans un nouvel article de recherche publié dans la National Science Review , des chercheurs de l'Institut de technologie de Harbin et de l'Université du Sud-Est présentent une conception et une synthèse multi-nanocouches liées chimiquement d'un aérogel de graphène/nitrure de bore amorphe (a-BNGA) pour améliorer simultanément les propriétés mécaniques et thermiques.
Contrairement aux travaux précédents, la structure du graphène est déposée uniformément par une nanocouche de a-BN des deux côtés, formant une structure multi-nanocouche liée chimiquement. Il a été constaté que les interfaces liées chimiquement fixent étroitement la gaine uniforme en a-BN sur le squelette de graphène, qui agit via un mécanisme de type tendon, assurant une déformation synergique et un transfert de charge dans le cadre.
De plus, la nanocouche d'a-BN peut augmenter la rigidité élastique des parois cellulaires et confère une répartition souhaitable du moment de flexion, réalisant ainsi un effet de trempe couplé pour améliorer la résilience structurelle.
L'a-BNGA résultant présente une densité ultrafaible avec une flexibilité ultraélevée (déformation élastique en compression jusqu'à 99 %, déformation élastique en flexion jusqu'à 90 %) et une stabilité thermique exceptionnelle (presque aucune dégradation de la résistance après des chocs thermiques brusques). Les chercheurs démontrent la déformabilité flexible par le processus de pliage et de dépliage d'une fleur d'aérogel dans la main humaine.
Notamment, la nanocouche d'a-BN dans l'aérogel, qui dépasse 20 % en volume, est mécaniquement cruciale mais thermiquement inactive, un état idéal pour les matériaux d'isolation thermique. Les contributions de conduction solide et de rayonnement, qui constituent ensemble la conductivité thermique apparente du matériau sous vide. Bénéficiant de la rareté des chemins de conduction efficaces grâce à la faible densité et de la diffusion supplémentaire des phonons par interface, la conduction solide peut être efficacement inhibée.
De plus, le graphène peut être utilisé comme absorbeur infrarouge pour réduire le transport thermique radiatif. Les chercheurs ont prouvé expérimentalement que cet aérogel avait une conductivité thermique sous vide record parmi les matériaux solides autonomes à ce jour. De plus, ils ont conçu un modèle de base lunaire fonctionnant sous vide poussé pour mettre en valeur les capacités de superisolation thermique de l'aérogel dans les applications d'exploration extraterrestre.
"Nous obtenons une combinaison de propriétés mécaniques et thermiques exceptionnelles de l'aérogel inorganique et définissons un système de matériaux robuste pour la superisolation thermique dans des conditions extrêmes, telles que les bases lunaires et martiennes, les satellites et les engins spatiaux", a déclaré le professeur Xiang Xu. "Ce type de matériau et la conception structurelle peut également offrir aux aérogels inorganiques la possibilité de doter d'autres fonctions uniques. "
Plus d'informations : Hongxuan Yu et al, Aérogel inorganique multi-nanocouche lié chimiquement avec une conductivité thermique record dans le vide, National Science Review (2023). DOI : 10.1093/nsr/nwad129
Fourni par Science China Press
