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 nécessaires 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 est prometteur dans les isolants thermiques.
Cependant, les aérogels inorganiques sont toujours en proie à un compromis entre leurs propriétés mécaniques et thermiques, présentant un obstacle clé pour explorer davantage 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 le Examen scientifique nationaldes chercheurs de l’Institut de technologie de Harbin et de l’Université du Sud-Est présentent une conception et une synthèse multi-nanocouches chimiquement liées d’un aérogel de graphène/nitrure de bore amorphe (a-BNGA) pour améliorer simultanément les propriétés mécaniques et thermiques.
Contrairement aux travaux précédents, le cadre de graphène est déposé uniformément par une nanocouche a-BN des deux côtés, formant une structure multi-nanocouche chimiquement liée. Il a été constaté que les interfaces liées chimiquement ancrent étroitement la veste a-BN uniforme sur le squelette de graphène, qui agit via un mécanisme semblable à un tendon, assurant une déformation synergique et un transfert de charge dans le cadre.
De plus, la nanocouche a-BN peut augmenter la rigidité élastique des parois cellulaires et confère une distribution de moment de flexion souhaitable, réalisant un effet de durcissement couplé pour améliorer la résilience structurelle.
L’a-BNGA résultant présente une densité ultra-faible avec une flexibilité ultra-élevée (contrainte de compression élastique jusqu’à 99 %, contrainte de flexion élastique jusqu’à 90 %) et une stabilité thermique exceptionnelle (presque aucune dégradation de la résistance après des chocs thermiques violents). 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 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 solides de conduction et de rayonnement, qui constituent ensemble la conductivité thermique apparente du matériau dans le vide. Bénéficiant de la rareté des voies de conduction efficaces par faible densité et de la diffusion supplémentaire des phonons par l’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 cet aérogel avec une conductivité thermique record dans le vide parmi les matériaux solides autoportants à ce jour. En outre, 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 conception matérielle et structurelle peut également offrir aux aérogels inorganiques la possibilité de doter d’autres fonctions uniques ».
Plus d’information:
Hongxuan Yu et al, Aérogel inorganique multi-nanocouche chimiquement lié avec une conductivité thermique record dans le vide, Examen scientifique national (2023). DOI : 10.1093/nsr/nwad129