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導(dǎo)讀：本文利用耐火陶瓷的高溫穩(wěn)定性，開發(fā)一種新方法制造空心納米晶，實(shí)現(xiàn)超絕熱材料在廣泛的溫度范圍，在這里，氣體的空隙大多是孤立在單個顆粒中，尺寸與空氣分子的平均自由程相當(dāng)，通過克努森效應(yīng)降低熱傳導(dǎo)。用空心La2Zr2O7陶瓷證明了這一普遍概念，并證明了極低的導(dǎo)熱系數(shù)(0.016?W/(m yahk))，這是迄今為止硬質(zhì)材料在室溫以上的最低導(dǎo)熱系數(shù)。同時(shí)厘米尺度的樣品還具有超高的抗壓強(qiáng)度(251?MPa)，彎曲抗拉強(qiáng)度高達(dá)100?MPa，在空氣中具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，高達(dá)1400?℃。晶體陶瓷納米線（1D）和納米殼（2D）在彎曲甚至拉伸方面具有驚人的機(jī)械強(qiáng)度。如果將其適當(dāng)?shù)亟M裝到閉孔泡沫或開孔納米晶格中，3D組件將具有令人滿意的缺陷容忍度。通過明智地控制氣孔拓?fù)浜蛶缀涡螤畹亩嗫撞牧显O(shè)計(jì)可以將宏觀固體的有效特性改變幾個數(shù)量級。特別是，已經(jīng)表明，通過調(diào)整多孔結(jié)構(gòu)的孔隙率（范圍從幾個到> 95vol％）、孔徑（范圍從幾納米到幾毫米）、形狀、互連性和分布，可以使導(dǎo)熱特性發(fā)生很大變化。所有這些都受到制造方法的強(qiáng)烈影響。例如，大量的空心微/納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過硬/軟/犧牲模板合成，并已用于增強(qiáng)熱絕緣性 ，其中空腔尺寸減小到約≤350 nm導(dǎo)致有效熱導(dǎo)率明顯降低。然而，為了獲得超低的導(dǎo)熱率，通常需要高的孔隙率，即低的密度，這常常導(dǎo)致較差的機(jī)械完整性。幸運(yùn)的是，如果適當(dāng)設(shè)計(jì)材料的微體系結(jié)構(gòu)，則可以大大減緩機(jī)械降解。在此，清華大學(xué)汪長安教授團(tuán)隊(duì)在La2Zr 2 O 7 （LZO）上利用了這樣的設(shè)計(jì)自由度，這是一種難熔陶瓷，其熱導(dǎo)率較低，并且比氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）具有更好的熱穩(wěn)定性。在精心設(shè)計(jì)的中空多晶（稱為“ Voronoi泡沫”）中有效的熱導(dǎo)率可以再降低兩個數(shù)量級，同時(shí)保持令人滿意的強(qiáng)度特性（作為硬質(zhì)材料），目前提出的合成策略是通用的，可以應(yīng)用于許多晶體陶瓷材料。相關(guān)研究成果以題“Hollow-grained “Voronoi foam” ceramics with high strength and thermal superinsulation up to 1400?°C”發(fā)表在國際材料頂級期刊materials today上。論文鏈接：https://www./science/article/pii/S1369702121000511空心顆粒結(jié)構(gòu)類似于3D空間的Voronoi分隔，分隔中心位于每個晶粒中球形孔的起點(diǎn)，因此我們將此結(jié)構(gòu)稱為“ Voronoi納米泡沫”（圖1）。為了延遲粗化，孔需要高度單分散，從而能夠在高達(dá)1400°C的溫度下保持熱穩(wěn)定性。
圖1 本研究開發(fā)的兩步燒結(jié)過程示意圖。 圖2。a）通過水熱法獲得的碳球的SEM和b）TEM圖像；c）涂覆后的La 2 Zr 2 O 7-碳雜化復(fù)合材料的SEM和d）TEM圖像。圖3。中空晶粒La 2 Zr 2 O 7陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)。a）在800°C的空氣中煅燒12 h后的橫截面全景圖和b）高倍SEM圖；c）TEM圖像和d）相應(yīng)的主體SEAD模式。插入物代表四開十二面體模型；e）汞的侵入結(jié)果表明了孔隙度的分布，插圖的疊置柱狀圖顯示了封閉孔隙度和開放孔隙度；f）傳熱路徑的圖示，其中藍(lán)色骨架代表LZO殼，綠色箭頭表示通過氣相的傳熱，酒箭頭表示通過LZO相的傳熱。圖6。Voronoi納米泡沫結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。a）在1650°C燒結(jié)之前的生坯。紅色，藍(lán)色，綠色的實(shí)心圓圈表示碳球，微孔外層表示非常小的隨機(jī)取向的陶瓷納米顆粒。未填充的圓圈表示“影響圈”，其中晶粒粗化大大加快了速度。b）1：2排列的插圖，其中一個碳球，被兩個顆粒包圍）。c）到完全消除粗糙的接觸界面時(shí)，形成1：1排列。d）2：1排列的圖示，其中兩個碳球被一個晶粒包圍。e）燒結(jié)后的Voronoi結(jié)構(gòu)，總之，空心晶粒的La2Zr2O7 “沃羅諾伊納米泡沫”在寬的溫度范圍內(nèi)具有超低的熱導(dǎo)率、足夠的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在能源、航空航天、制造和微電子工業(yè)等具有挑戰(zhàn)性的機(jī)械環(huán)境作為隔熱材料和腐蝕保護(hù)層具有潛力。多孔陶瓷具有獨(dú)特的性能，可以將宏觀性能調(diào)整幾個數(shù)量級，同時(shí)仍保持晶體陶瓷非凡的熱穩(wěn)定性和腐蝕穩(wěn)定性。通過設(shè)計(jì)，它堅(jiān)定地展示了納米技術(shù)在高溫應(yīng)用中的原理和力量。
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