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受北极熊启发的节能建筑保温材料

工程技术受北极熊启发的节能建筑保温材料

科学家们根据北极熊毛发的微观结构设计了一种受自然启发的碳管气凝胶隔热材料。 这种轻质、高弹性和更高效的隔热材料为节能建筑隔热开辟了新途径

北极熊 在寒冷的北极圈内,毛发有助于动物在寒冷潮湿的气候条件下防止热量流失。 与人类或其他哺乳动物的头发不同,北极熊的头发是自然中空的。 每根发丝都有一个长长的圆柱形核心,贯穿其中心。 正是这种空腔的形状和间距使北极熊的毛发呈现出独特的白色被毛。 这些空腔具有多种特性,例如出色的保温性、防水性、弹性等,这使它们成为非常好的绝热材料。 中空的中心限制了热量的流动,同时在设计上使每条链都非常轻巧。 此外,北极熊毛发的不可湿性使它们在零下温度和潮湿条件下游泳时保持温暖。 因此,北极熊毛是设计合成材料的一个很好的模型,它可以像北极熊毛一样自然地提供有效的隔热效果。

在 6 月 XNUMX 日发表的一项新研究中 化学,科学家们开发了一种新型绝缘体,其灵感来自并模仿个别北极熊毛发的微观结构,从而获得了其所有独特的特性。 他们制造了数百万个超弹性、轻质的中空碳管,每根都只有一根头发丝那么大,然后将它们缠绕成气凝胶块。 设计过程首先从碲 (Te) 纳米线作为模板制造电缆水凝胶开始,该模板涂有碳壳。 然后,他们通过首先将其干燥,然后在 900°C 的氩气惰性气氛中将其煅烧以去除 Te 纳米线,从而从这种水凝胶中制造出碳管气凝胶 (CTA)。 这种独特的设计使 CTA 成为一种出色的绝热体,并且具有超弹性,因为它以 1434 毫米/秒的速度回弹。 与所有传统弹性材料相比,这是有史以来最快的。 作者指出,它比北极熊毛更有弹性。

由于碳管的中空结构,材料的内径小于空气的自由程,因此具有低于干燥空气的优良导热性。 该材料在相对湿度为 3% 的室温下储存 56 个月后仍能保持其导热性,从而显示出使用寿命。 CTA 重量轻,密度为 8 kg/m3; 比大多数可用的绝热材料更轻。 它不会受到水的影响,因为它是不可润湿的。 此外,即使在不同应变下多次压缩释放循环后,CTA 的机械结构仍能保持。

目前的研究描述了一种新的碳管气凝胶——灵感来自北极熊头发的空心管设计——它是一种出色的隔热材料。 与其他可用的气凝胶绝缘材料相比,这种受北极熊启发的空心管设计重量轻、更能抵抗热流、防水并且在其使用寿命期间不会降解。

改进和更有效的隔热系统有望节省一次能源消耗。 能源现在供不应求,而能源成本却在不断攀升。 节约能源的方法之一是提高隔热性 建筑物. 气凝胶已经在各种此类应用中显示出巨大的前景。 这项研究开辟了设计高性能材料的途径,这些材料重量轻、超弹性和隔热,适用于建筑、航空航天工业,尤其是在极端环境中的应用。 由于其极端的拉伸能力,它对各种应用的吸引力都得到了增强。

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{您可以通过单击下面引用来源列表中给出的 DOI 链接来阅读原始研究论文}

来源(S)

詹,H 等。 2019. 仿生碳管气凝胶实现超弹性和隔热。 化学 http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025

赛欧团队
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