Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Wang Zhenyang und Zhang Shudong von den Hefei Institutes of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat synergistische Aerogel-Materialien mit hoher Temperaturbeständigkeit, mechanischer Festigkeit und Wärmedämmleistung entwickelt.
Die Forschung ist veröffentlicht In ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen.
Anorganisches SiO2-Aerogel ist ein poröses festes Material, das sich aus Siliciumdioxid-Nanopartikeln selbst zusammensetzt. Seine zahlreichen Partikelporen sind mit Luft gefüllt, was ihm die Eigenschaften einer geringen Volumendichte, hohen Porosität und geringen Wärmeleitfähigkeit verleiht. Es gilt als das feste Material mit der geringsten Wärmeleitfähigkeit und ist zu einem der wichtigsten Isoliermaterialien in anspruchsvollen Wärmekontrollbereichen geworden.
Die strukturelle Sprödigkeit und die geringe Temperaturbeständigkeit (≤ 700 °C) des anorganischen SiO2-Aerogels begrenzen jedoch dessen Einsatzmöglichkeiten in extremen Umgebungen.
In dieser Studie haben die Forscher diese Einschränkungen überwunden, indem sie eine kleine Menge der kristallinen ZrO2-Phase in eindimensionale SiO2-Fasern eingebracht und so deren Temperaturbeständigkeit deutlich verbessert haben. Sie haben außerdem mehrere Fusionsknoten zwischen den SiO2-Fasern geschaffen, um die Druckfestigkeit und Bruchzähigkeit zu verbessern.
Das entstehende Aerogel hat eine Wärmeleitfähigkeit von nur 0,092 W/mK, eine elastische Dehnung von über 80 % und eine Druckfestigkeit von 389 kPa. Es behält seine Stabilität und Elastizität auch über einen weiten Temperaturbereich von -196 °C bis 1.300 °C.
Sie untersuchten auch zweidimensionale anorganische Aerogele, die durch Zusammenfügen von Nanoschichten zu einer porösen festen Struktur entstanden. Durch die Verwendung von Montmorillonit-Nanoschichten und Hydroxylapatit-Nanodrähten schufen sie ein zweidimensionales Aerogel mit hervorragenden Wärmedämm- und Flammschutzeigenschaften. Dieses Material zeigte in Standardtests einen Kompressionsmodul von 80 MPa.
Darüber hinaus untersuchte das Team Biomasse-Aerogele als umweltfreundliche Dämmstoffe für Gebäude. Sie entwickelten neue Vernetzungsmethoden, um die Flammhemmung und die mechanischen Eigenschaften dieser Aerogele zu verbessern. Insbesondere entwickelten sie Biomasse-Natriumalginat-Aerogele, die mehr als das 2.600-fache ihres Eigengewichts tragen können und über hervorragende Flammhemmung und selbstverlöschende Eigenschaften verfügen.
Diese Forschung bewältigt nicht nur die Herausforderungen der Balance zwischen Hochtemperaturbeständigkeit und Festigkeit bei Aerogelen, sondern liefert auch neue Materialien für effiziente Wärmedämmung, Brandschutz und mechanische Stabilität unter extremen Bedingungen.
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Yang Chen et al., Interpenetrierte Multinetzwerk-Hybrid-Aerogele aus geschichteten Montmorillonit- und eindimensionalen Hydroxylapatit-Fasern zur Wärme- und Feuerisolierung, ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen (2024). DOI: 10.1021/acsami.4c08796