研究者通過在石墨烯氣凝膠骨架原位沉積無定形氮化硼鎧裝層，實現(xiàn)了氣凝膠力學(xué)性能與熱學(xué)性能的協(xié)同增強(qiáng)，有望為極端環(huán)境下的超隔熱需求提供新的解決方案。相關(guān)成果發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review, NSR），哈爾濱工業(yè)大學(xué)徐翔教授、張傳偉教授與東南大學(xué)郝夢龍教授為共同通訊作者。

無機(jī)氣凝膠由于其獨(dú)特的性質(zhì)已成為目前最具吸引力的材料之一，在超隔熱領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，但其力熱互斥瓶頸難題阻礙了該材料的進(jìn)一步發(fā)展。如何通過單一策略協(xié)同增強(qiáng)無機(jī)氣凝膠的力熱性能、實現(xiàn)物理性能指標(biāo)性突破是目前面臨的主要挑戰(zhàn)。

合成制備：在這項研究中，研究者使用原位沉積技術(shù)實現(xiàn)了無定形氮化硼在石墨烯骨架上的可控沉積及界面處的化學(xué)鍵合。如下圖所示，通過多種表征手段，觀察到無定形氮化硼以均勻連續(xù)的納米層形式沉積在石墨烯孔壁上。

（a）樣品制備過程示意圖；（b）多孔結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖像；（c, d）納米多層孔壁高倍透射電鏡圖像；（e）具有月球基地和宇航員形狀的樣品照片。

力學(xué)性能：在軸向壓縮過程中孔壁發(fā)生彈性屈曲，納米多層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了彎矩分配的合理優(yōu)化，賦予了氣凝膠在超低密度（0.8 mg cm-3）下的超彈性（可逆壓縮率99%）。均勻連續(xù)的無定形氮化硼納米層通過化學(xué)鍵合點(diǎn)位牢固地釘扎在石墨烯片層兩側(cè)，增強(qiáng)了骨架薄弱節(jié)點(diǎn)并提高了整體性，使得氣凝膠可以承受彎曲、扭轉(zhuǎn)及偏心壓縮等復(fù)雜變形。

（a）單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線；（b）彈性變形能力隨密度的變化；（c）兩點(diǎn)彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線；（d）偏心壓縮循環(huán)；（e）具有花朵形狀的樣品在手中緊握展開。

熱學(xué)性能：得益于化學(xué)鍵合納米多層設(shè)計的增強(qiáng)增韌作用，氣凝膠在高頻劇烈高低溫?zé)釠_擊下幾乎未發(fā)生體積收縮與結(jié)構(gòu)退化。研究者進(jìn)一步使用穩(wěn)態(tài)法測試了氣凝膠的真空熱導(dǎo)率，得益于超低密度、高碳含量及納米多層結(jié)構(gòu)造成的聲子散射加劇，真空中近室溫(

（a）高頻劇烈高低溫?zé)釠_擊前后單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線；（b）穩(wěn)態(tài)法真空熱導(dǎo)率測試裝置；（c）樣品及不同材料的真空熱導(dǎo)率。

月球基地隔熱層應(yīng)用演示：輕質(zhì)、柔韌的超隔熱材料對于深空地外探索尤為重要，例如月球表面晝夜溫差巨大，月球基地的熱環(huán)境極其惡劣，需要材料具備有效的熱管理能力。因此，該超輕、超彈、超隔熱的氣凝膠在此類環(huán)境中極具吸引力。研究者設(shè)計并制備了月球基地縮尺模型、搭建裝置模擬月球表面晝夜環(huán)境，測試該材料在此類應(yīng)用場景中的隔熱性能。并與石墨烯氣凝膠、六方氮化硼氣凝膠及二氧化硅氣凝膠氈進(jìn)行對比，證明了該材料在極端環(huán)境下的優(yōu)異超隔熱性能。

（a）月球基地示意圖；（b）高真空月球基地模型實驗裝置照片；（c）加熱過程溫度場模擬和熱邊界示意圖；（d）冷卻過程溫度場模擬和冷邊界示意圖；（e）樣品及對比材料的冷熱邊界(上部)和內(nèi)部環(huán)境(下部)的瞬態(tài)溫度曲線。

來源：知社學(xué)術(shù)圈