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Ultraleichtes Keramikmaterial, das extremen Temperaturen standhält

Aerogel als ein Upgrade für die Isolierung von Raumfahrzeugen?

19.02.2019

UCLA Samueli Engineering

Das neue Keramik-Aerogel ist so leicht, dass es auf einer Blume ruhen kann, ohne sie zu beschädigen.

Forscher und Mitarbeiter der UCLA an acht weiteren Forschungseinrichtungen haben ein extrem leichtes, sehr langlebiges Keramik-Aerogel entwickelt. Das Material könnte für Anwendungen wie die Isolierung von Raumfahrzeugen verwendet werden, da es den starken Hitzeeinflüssen und starken Temperaturschwankungen, denen Raumfahrtmissionen ausgesetzt sind, standhalten kann.

Keramische Aerogele werden seit den 90er Jahren zur Isolierung von Industrieanlagen eingesetzt, und sie werden bei den Mars-Rover-Missionen der NASA zur Isolierung von wissenschaftlichen Geräten verwendet. Aber die neue Version ist viel langlebiger, wenn sie extremer Hitze und wiederholten Temperaturspitzen ausgesetzt ist, und viel leichter. Seine einzigartige atomare Zusammensetzung und mikroskopische Struktur machen ihn zudem ungewöhnlich elastisch.

Beim Erwärmen zieht sich das Material zusammen und dehnt sich nicht wie andere Keramiken aus. Es zieht sich auch senkrecht zu der Richtung zusammen, in die es komprimiert ist - stellen Sie sich vor, Sie drücken einen Tennisball auf einen Tisch und haben die Mitte des Balles nach innen bewegt, anstatt sich nach außen zu dehnen - das Gegenteil davon, wie die meisten Materialien reagieren, wenn sie komprimiert werden. Dadurch ist das Material wesentlich flexibler und spröder als die derzeit modernsten keramischen Aerogele: Es kann auf 5 Prozent seines ursprünglichen Volumens komprimiert und vollständig wiederhergestellt werden, während andere vorhandene Aerogele auf nur etwa 20 Prozent komprimiert und dann vollständig wiederhergestellt werden können.

Die Forschung wurde von Xiangfeng Duan, einem UCLA-Professor für Chemie und Biochemie, Yu Huang, einem UCLA-Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen, und Hui Li vom Harbin Institute of Technology, China, geleitet. Die ersten Autoren der Studie sind Xiang Xu, ein Gastdoktorand für Chemie an der UCLA vom Harbin Institute of Technology, Qiangqiang Zhang von der Lanzhou University und Menglong Hao von der UC Berkeley and Southeast University.

Weitere Mitglieder des Forschungsteams waren von der UC Berkeley, der Purdue University, dem Lawrence Berkeley National Laboratory, der Hunan University, China, der Lanzhou University, China, und der King Saud University, Saudi-Arabien.

Trotz der Tatsache, dass mehr als 99 Prozent ihres Volumens aus Luft bestehen, sind Aerogele solide und strukturell sehr stark für ihr Gewicht. Sie können aus vielen verschiedenen Materialien hergestellt werden, darunter Keramik, Kohlenstoff oder Metalloxide. Im Vergleich zu anderen Isolatoren sind Aerogele auf Keramikbasis überlegen, wenn es darum geht, extreme Temperaturen zu blockieren, und sie haben eine extrem niedrige Dichte und sind sehr widerstandsfähig gegen Feuer und Korrosion - alles Eigenschaften, die sich gut für wiederverwendbare Raumfahrzeuge eignen.

Die heutigen keramischen Aerogele sind jedoch sehr spröde und neigen nach wiederholter Einwirkung extremer Hitze und dramatischer Temperaturschwankungen, die beide in der Raumfahrt üblich sind, zum Bruch.

Das neue Material besteht aus dünnen Schichten Bornitrid, einer Keramik, mit Atomen, die wie Hühnerdraht in Sechseckmustern verbunden sind.

In der von der UCLA geleiteten Forschung hielt sie Bedingungen stand, die typischerweise andere Aerogele brechen würden. Es hielt Hunderten von Belastungen durch plötzliche und extreme Temperaturspitzen stand, als die Ingenieure die Temperatur in einem Testbehälter innerhalb weniger Sekunden zwischen minus 198 Grad Celsius und 900 Grad über Null anhoben und senkten. In einem weiteren Test verlor es weniger als 1 Prozent seiner mechanischen Festigkeit, nachdem es eine Woche lang bei 1.400 Grad Celsius gelagert wurde.

"Der Schlüssel zur Langlebigkeit unseres neuen Keramik-Aerogels ist seine einzigartige Architektur", sagte Duan. "Seine angeborene Flexibilität hilft ihm, das Schlagen von extremen Hitze- und Temperaturschocks zu vermeiden, die andere keramische Aerogele zum Versagen bringen würden."

Normale keramische Materialien dehnen sich beim Erwärmen in der Regel aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Im Laufe der Zeit können diese wiederholten Temperaturschwankungen dazu führen, dass diese Materialien brechen und schließlich versagen. Das neue Aerogel wurde entwickelt, um haltbarer zu sein, indem es genau das Gegenteil tut - es zieht sich zusammen und dehnt sich bei Erwärmung nicht aus.

Darüber hinaus hilft die Fähigkeit des Aerogels, sich senkrecht zur Richtung, in die es komprimiert wird, zusammenzuziehen - wie im Beispiel des Tennisballs -, wiederholte und schnelle Temperaturänderungen zu überstehen. (Diese Eigenschaft wird als negative Poisson's Ratio bezeichnet.) Sie hat auch Innenwände, die mit einer Doppelscheibenstruktur verstärkt sind, die das Gewicht des Materials reduziert und gleichzeitig seine Isolierfähigkeit erhöht.

Duan sagte, dass die Prozessforscher, die entwickelt wurden, um das neue Aerogel herzustellen, auch für andere ultraleichte Materialien geeignet sein könnten.

"Diese Materialien könnten für die Wärmedämmung in Raumfahrzeugen, Autos oder anderen Spezialausrüstungen nützlich sein", sagte er. "Sie könnten auch für die thermische Energiespeicherung, Katalyse oder Filtration nützlich sein."

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