蘇州納米所在氣凝膠激光防護(hù)材料領(lǐng)域取得進(jìn)展
氣凝膠是一種具有連續(xù)三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的超輕固體材料，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的熱學(xué)、光學(xué)及力學(xué)等理化性質(zhì)，能夠?qū)ν鈦砟芰窟M(jìn)行有效管理，在超級(jí)隔熱、高效電磁屏蔽及力學(xué)防護(hù)等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而，氣凝膠在極端環(huán)境下的多能量場(chǎng)耦合沖擊（如高能激光）防護(hù)方面鮮有報(bào)道，且相關(guān)氣凝膠材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念及合成機(jī)制尚不明確。
鑒于此，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同研究員團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)筑納米帶狀的氮化硼基元，發(fā)展得到一種具有輕質(zhì)、高反射特征的超白氮化硼氣凝膠材料：氮化硼基元的二維平面形態(tài)具有強(qiáng)的光學(xué)背散射效應(yīng)，可作為光學(xué)納米屏障（圖1a）；大的長寬比利于納米基元相互交織形成氣凝膠三維網(wǎng)絡(luò)（圖1b）。氮化硼氣凝膠的高反射特征可實(shí)現(xiàn)對(duì)高能激光的有效反射，最大程度減少激光在材料表面熱量的沉積。此外，結(jié)合氮化硼氣凝膠自身低導(dǎo)熱、耐高溫及力學(xué)柔性等特征，可有效降低激光沉積熱量的縱向傳遞，并承受激光衍生的局域高溫場(chǎng)所帶來的高溫?fù)p傷及熱應(yīng)力沖擊。多種因素協(xié)同（圖1c），保證超白氮化硼氣凝膠在高能激光輻照時(shí)維持結(jié)構(gòu)完好（圖1d），并兼具低密度（~0.017 g/cm3）及高激光防護(hù)閾值（~2.1×104 W/cm2），在高能激光領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的防護(hù)性能。該工作以Super-white boron nitride aerogel-enabled high-energy laser irradiation protection為題，發(fā)表在國際知名期刊Advanced Functional Materials上。文章第一作者是中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所柴玉山碩士生與李廣勇副研究員，通訊作者為張學(xué)同研究員。該工作獲得了國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金及中國博士后科學(xué)基金資助。
圖1. 氮化硼納米帶的背向光散射（a），氮化硼氣凝膠三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（b），氮化硼氣凝膠激光防護(hù)要素（c）及其激光輻照光學(xué)照片（d）
首先，研究人員以硼酸與三聚氰胺小分子作為前驅(qū)體，水/叔丁醇為共溶劑，發(fā)展超聲輔助溶膠-凝膠組裝策略，構(gòu)筑得到三聚氰胺二硼酸鹽納米帶前驅(qū)體。隨后經(jīng)冷凍干燥及高溫?zé)峤?，獲得氮化硼納米帶氣凝膠。合成過程中，通過調(diào)控超聲水浴溫度，操縱三聚氰胺、硼酸之間的氫鍵組裝行為及結(jié)晶行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米帶尺寸（寬度）的調(diào)控，獲得輕質(zhì)、柔性的超白氮化硼氣凝膠，如圖2所示。
圖2. 超白氮化硼氣凝膠的合成示意圖
隨后，利用可見光波段激光輻照進(jìn)行光學(xué)性能評(píng)估。氮化硼氣凝膠在不同激光入射角度、施加不同應(yīng)力載荷及長時(shí)輻照時(shí)，均表現(xiàn)出高的光學(xué)反射率（~99%）。進(jìn)一步，當(dāng)高能激光束（功率：300-1500 W，光斑直徑：3 mm）持續(xù)照射（輻照時(shí)間：幾十秒，甚至上百秒）在氮化硼氣凝膠表面時(shí)，氮化硼氣凝膠對(duì)激光產(chǎn)生漫反射效應(yīng)，形成大尺寸明亮光斑，且氮化硼氣凝膠結(jié)構(gòu)保持完好，如圖3所示。其中，氮化硼氣凝膠的激光防護(hù)閾值可高達(dá)2.1×104 W/cm2，優(yōu)于現(xiàn)有激光防護(hù)材料體系（~103 W/cm2）。
圖3. 高能激光輻照在氮化硼氣凝膠表面
當(dāng)激光束功率密度高于氮化硼氣凝膠防護(hù)閾值時(shí)，激光在氮化硼氣凝膠表面形成局域高溫場(chǎng)，進(jìn)而損傷輻照區(qū)域的氮化硼納米基元，并形成與光斑形狀相似的燒蝕孔洞。然而，孔洞周圍的氮化硼氣凝膠網(wǎng)絡(luò)保持完好，無外延損傷裂紋（圖4a-b）。相反的，當(dāng)高能激光束輻照在脆性氧化硅氣凝膠表面時(shí)，不僅在輻照區(qū)域產(chǎn)生燒蝕孔洞，輻照區(qū)域周圍相繼衍生裂紋（圖4c），并導(dǎo)致氧化硅氣凝膠破碎。該現(xiàn)象表明，氮化硼氣凝膠柔性骨架可有效緩沖局域高溫場(chǎng)的熱應(yīng)力沖擊，將損傷局限在激光輻照區(qū)域。
圖4. 柔性氮化硼氣凝膠（a-b）及脆性氧化硅氣凝膠（c）的激光燒蝕形貌
該研究工作為未來輕質(zhì)氣凝膠高能激光防護(hù)材料的設(shè)計(jì)與制備提供新的研究思路。
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